DE102004038001A1

DE102004038001A1 - Optische Beobachtungsvorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer optischen Beobachtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102004038001A1
Application number: DE102004038001A
Authority: DE
Inventors: Helge Jess; Dieter Quendt; Ulrich Gold; Christoph Hauger
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2003-08-14
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2024-08-05
Also published as: DE102004038001B4

Abstract

Eine optische Beobachtungsvorrichtung 100 zur Beobachtung eines Objektbereichs hat eine Anzeigeeinheit 105, die eine Vielzahl steuerbarer Displaysegmente aufweist, welche eine Farben-Pulssequenz bereitstellen, um ein Anzeigebild zu generieren, das aus einer Vielzahl von Bildpunkten aufgebaut ist. Die optische Beobachtungsvorrichtung 100 umfasst eine Überlagerungseinrichtung 110, welche ein von der Anzeigeeinheit 105 bereitgestelltes Bild dem Bild eines Objektbereichs 104 überlagert. Die optische Beobachtungsvorrichtung hat weiter eine Kameraeinheit 111, 113, der das überlagerte Bild von Anzeigeeinheit 105 und Objektbereich 104 zugeführt wird, wobei die Kameraeinheit 111, 113 Bildsensoren 112, 114 aufweist, deren Lichtempfindlichkeit als Funktion der Zeit einstellbar ist. Dabei ist die Lichtempfindlichkeit der Bildsensoren 112, 114 auf die Farben-Pulssequenz derart abgestimmt, dass der Bildsensor 112, 114 aus der Farben-Pulssequenz von einem Displaysegment wenigstens zwei Lichtpulse unterschiedlicher Farben erfassen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Beobachtungsvorrichtung zur Beobachtung eines Objektbereichs mit einer Anzeigeeinheit, die eine Vielzahl steuerbarer Displaysegmente aufweist, die Licht in unterschiedlichen Farben bereitstellen, um ein farbiges Anzeigebild zu generieren, das aus einer Vielzahl von Bildpunkten aufgebaut ist, mit einer Überlagerungseinrichtung, welche ein von der Anzeigeeinheit bereitgestelltes Bild dem Bild eines Objektbereichs überlagert, und mit einer Kameraeinheit, der ein mit der Überlagerungseinrichtung überlagertes Bild von Anzeigeeinheit und Objektbereich zugeführt wird, wobei die Kamera einen Bildsensor aufweist, dessen Lichtempfindlichkeit als Funktion der Zeit einstellbar ist.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb einer optischen Beobachtungsvorrichtung mit einer Anzeigeeinheit, die eine Vielzahl steuerbarer Displaysegmente aufweist, bei der eine Überlagerungseinrichtung vorgesehen ist, welche ein von der Anzeigeeinheit bereitgestelltes Bild dem Bild eines Objektbereichs überlagert, und mit einer Kameraeinheit mit Bildsensor, der ein mit der Überlagerungseinrichtung überlagertes Bild von der Anzeigeeinheit und dem Objektbereich zugeführt wird.

Eine optische Beobachtungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen optischen Beobachtungsvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 101 01 184 A1 bekannt. Dort ist ein Operationsmikroskop beschrieben, das eine Einrichtung zur Dateneinspiegelung aufweist. Diese Einrichtung zur Dateneinspiegelung umfasst ein Display, mit dem Bilddaten erzeugt werden, die über einen Strahlteiler dem Bild eines Beobachtungsbereiches überlagert werden. Das überlagerte Bild wird dann für Dokumentations- und Darstellungszwecke einem Bildsensor zugeführt. Um ein Flackern der eingespiegelten Daten zu unterbinden, ist in der DE 101 01 184 A1 beschrieben, den Bildsensor und das entsprechende Display zu synchronisieren.

Die DE 100 20 279 A1 offenbart ein Stereomikroskop mit Okulareinrichtung, welches für einen Benutzer mit binokularem Beobachtungsstrahlengang die stereoskopische Untersuchung eines Objektbereichs ermöglicht. Die Okulareinrichtung ist mit Anzeigeeinrichtungen und einer Bildaufnahmeeinheit kombiniert, welche es ermöglichen, ein mittels einer Strahlteilereinrichtung in einen Beobachtungsstrahlengang eingespiegeltes Bild sowohl dem Auge eines Beobachters als Überlagerung zu einem Bild des Objektbereichs zuzuführen und dieses überlagerte Bild mit einer Bildaufnahmeeinheit zu erfassen.

In der DE 299 23 951 U1 ist ein Operationsmikroskop mit einer Einrichtung zur Dateneinspiegelung und einer Videokamera beschrieben. Dieses Operationsmikroskop hat einen ersten Strahlteilerwürfel, mit dem eine Displayanzeige in einen Beobachtungsstrahlengang eingespiegelt wird, um in einem linken Hauptstrahlengang angezeigt zu werden. Weiter hat das Operationsmikroskop einen zweiten Strahlteilerwürfel, über den die Videokamera an den Beobachtungsstrahlengang angeschlossen ist. Dieser zweite Strahlteilerwürfel ermöglicht, dass die Videokamera Objektbilder durch einen rechten Hauptbeobachtungsstrahlengang aufnehmen kann.

Als Displays zur Anzeige von Bilddaten sind sogenannte modulierende Displays bekannt, die mit Licht aus einer Lichtquelle oder mehreren separaten Lichtquellen beleuchtet werden und die dieses Licht Pixel für Pixel modulieren. Ein Beispiel für solche Displays sind sogenannte LCoS-Displays. Ein solches LCoS-Display umfasst z.B. einen nematischen Flüssigkristall, der auf einem Silizium-Substrat angeordnet ist (LCoS = liquid crystal on silicon). Auf dem Silizium-Substrat befinden sich elektrische Leiterbahnen und Baugruppen, die es bei entsprechender Ansteuerung ermöglichen, die Polarisationseigenschaften des Flüssigkristalls für Licht lokal einzustellen und dort quasi – kontinuierlich durchzustimmen. Einem solchen LCoS-Display ist üblicherweise ein Polarisationsstrahlteiler zugeordnet, durch den hindurch es beleuchtet wird, wobei er das von dem LCoS-Display reflektierte Licht freigibt. Alternativ ist es auch möglich, das LCoS-Display durch einen ersten Polfilter zu beleuchten und das vom LCoS-Display reflektierte Licht über ein zweites Polfilter einem Beobachter zuzuführen. Wird ein solches LCoS-Display beleuchtet, so lässt sich die Intensität des von dem LCoS-Display reflektierten Lichts zwischen Dunkelheit und maximaler Reflexion durch entsprechendes Verändern der Polarisationseigenschaften des nematischen Flüssigkristalls praktisch kontinuierlich durchstimmen.

Weiter sind als modulierende Displays sogenannte FLC-Mikrodisplays bekannt, die einen ferroelektrischen Flüssigkristall enthalten (FLC = ferroelectric liquid crystal). Dieser Flüssigkristall ist auf einer Logikschaltung auf Siliziumbasis angeordnet, welche es ermöglicht, die Polarisationseigenschaften des Flüssigkristalls lokal entsprechend der Position einzelner Pixel zwischen zwei binären Zuständen hin- und herzuschalten. Wird ein solches FLC-Mikrodisplay durch einen Polarisationsstrahlteiler mit polarisiertem Licht beleuchtet, so erscheinen die Pixel des FLC-Mikrodisplays entweder dunkel oder hell. Um für einen Beobachter einen veränderbaren Leuchteindruck eines Pixels auf einem FLC-Mikrodisplay hervorzurufen, wird der Polarisationszustand eines Pixels gepulst eingestellt. Die entsprechende Pixelhelligkeit ergibt sich dann aus einer integralen tatsächlichen Leuchtdauer eines Pixels in einem charakteristisches Zeitintervall. Hierbei wird ausgenutzt, dass FLC-Mikrodisplays sehr schnell angesteuert werden können, denn es ist möglich, den Polarisationszustand eines Pixels auf einer Zeitskala unterhalb von 50μs zu ändern.

Ein weiteres Beispiel für modulierende Displays sind sogenannte „Digital Mirror Displays" (DMD). Diese Displays haben eine Trägereinheit, auf der tausende kleiner Mikrospiegel angeordnet sind. Diese Mikrospiegel können individuell angesteuert werden, um deren Position bzw. Orientierung zu verändern. Einem solchen Display sind eine oder mehrere Lichtquellen zugeordnet, deren Licht von den Mikrospiegeln reflektiert wird, um auf einer Projektionsfläche ein Bild zu erzeugen. Die Mikrospiegel entsprechen den Pixeln eines mittels des Displays erzeugten Bildes. Ähnlich wie bei einem FLC-Mikrodisplay wird der Helligkeitseindruck für ein Bildpixel bei einem Beobachter hervorgerufen, indem der zugehörige Mikrospiegel derart gepulst angesteuert wird, dass er Lichtpulse auf einer geeigneten Projektionsfläche erzeugt. Die tatsächliche Leuchtdauer eines Pixels über ein charakteristisches Zeitintervall hinweg wird dann von einem Beobachter als Leuchteindruck mit einer definierten Helligkeit wahrgenommen.

Zur Darstellung von Farben ist es bekannt, einen Pulssequenzzug für eine erste Komplementärfarbe, einen Pulssequenzzug für eine zweite Komplementärfarbe und darauffolgend einen Pulssequenzzug für eine dritte Komplementärfarbe mit einem entsprechenden Displaypixel zu erzeugen.

Weiter sind transmissive Displays des Typs „colorsequential" bekannt, die mit zwei Polfiltern kombiniert sind und in einem Durchlichtmodus betrieben werden.

Als Displays zur Anzeige von Bilddaten werden außerdem sogenannte emissive Displays eingesetzt, die Pixel für Pixel Licht erzeugen und üblicherweise auf dem Prinzip der Vakuumfluoreszenz oder der Feldemission beruhen. Anstelle der color-sequential Darstellung wird hier die Farbinformation durch regelmäßige räumliche Anordnung roter, gründer und blauer Farbfilter vor den einzelnen Pixeln realisiert. Die Strukturgrenze der Pixel liegt unterhalb der Aufösungsgrenze des Auges. Durch entsprechende Ansteuerung der einzelnen verschiedenfarbigen Pixel ist es möglich, beliebige Farbverteilungen in einem Bild zu erzeugen. Solche Displays können auch auf organischen Leuchtdioden, sogenannten OLEDs (OLED = organic light emitting diode) basieren. Bei solchen emissiven Displays ist in der Regel ähnlich wie bei LCoS-Displays die Intensität des von einem Display-Pixel abgegebenen Lichts zwischen Dunkelheit und einem Maximalwert quasikontinuierlich durchstimmbar. Ein OLED Mikrodisplay mit SVGA-Auflösung wird beispielsweise von der Firma Emagin angeboten. Bei diesem Display besteht jedes Pixel aus drei Subpixeln mit den Farben rot, grün und blau. Problematisch ist die vergleichsweise geringe Leuchtdichte eines solchen Displays für den Einsatz in einem Operationsmikroskop. Monochrome OLED Mikrodisplays mit einer für Operationsmikroskope ausreichenden Leuchtdichte sind allerdings im Handel erhältlich.

Als Displays gibt es weiter sogenannte transmissive LCD mit Farbfiltern Rot-Grün-Blau vor jedem Pixel. Die Funktionsweise dieser Displays entspricht derjenigen eines TFT-LCD Monitors für Computer.

Wenn diese Displays klein bauen, d.h. eine Bildschirmdiagonale von weniger als 25 mm, häufig auch von weniger als 10 mm haben und dabei eine Anzeige mit hoher Informationsdichte ermöglichen, beispielsweise QVGA-Auflösung, SVGA-, SXGA- Auflösung oder auch höhere Auflösung, werden diese Displays auch als Mikrodisplays bezeichnet.

Bei Operationsmikroskopen ist es erforderlich, das Operationsgebiet möglichst hell zu beleuchten, um ein Operationsmikroskop-Bild mit gutem Kontrast zu erhalten. Soll ein überlagertes Bild von Operationsgebiet und eingespiegeltem Display etwa für Dokumentationszwecke in dem Operationsmikroskop mit einer Kamera aufgenommen werden, so muss diese aufgrund der großen Gesamtbildhelligkeit in einem vergleichsweise kurzen Zeitraum für Lichtempfindlichkeit betrieben werden. Dieser vergleichsweise kurze Zeitraum für Lichtempfindlichkeit hat zur Folge, dass bei einem Display, bei dem der Helligkeitseindruck einzelner Pixel über eine gemittelte Leuchtdauer in einem charakteristischen Zeitintervall hervorgerufen wird, die Kamera das mit dem Display angezeigte Bild gar nicht oder nur teilweise wahrnimmt, weil zu der Zeit beziehungsweise in dem Zeitintervall oder den Zeitintervallen, in denen betreffende Displaypixel leuchten, die Kamera nicht empfindlich ist.

Dieses Problem stellt sich auch bei Displays, bei denen der farbige Helligkeitseindruck eines Pixels über die Intensität des von einem Pixel ausgesendeten Lichts hervorgerufen wird, sofern das Display in einem Video-Modus betrieben wird, in dem ein Display-Pixel sequentiell aufeinanderfolgend Leuchtpulse einer charakteristischen Dauer mit verschiedenen Farben bereitstellt.

Fällt hier die Zeit für Empfindlichkeit der Kamera nicht mit der Zeit für die Leuchtpulse der Displaypixel zusammen, so wird mit der Kamera der Anteil der Displayanzeige im Gesamtbild überhaupt nicht oder nur sehr schlecht erfasst und es können deshalb Farbfehler auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine optische Beobachtungsvorrichtung, insbesondere ein Operationsmikroskop bereitzustellen, das mit einer Kameraeinheit ausgerüstet ist und dabei ermöglicht, das Bild eines Objektbereichs, dem ein eingespiegeltes Anzeigebild überlagert ist, mit gutem Kontrast insbesondere farbrichtig aufzunehmen, sowie eine optische Beobachtungsvorrichtung mit einer Einrichtung zur Dateneinspiegelung und Bildaufnahme so zu betreiben, dass ein Bildsensor der Kameraeinheit sowohl das Bild eines Objektbereichs als auch ein eingespiegeltes Bild mit gutem Kontrast und farbrichtig aufnimmt.

Diese Aufgabe wird durch eine optische Beobachtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer optischen Beobachtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.

Eine optische Beobachtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat eine Anzeigeeinheit, die eine Vielzahl steuerbarer Displaysegmente aufweist, die einen Farben-Pulssequenzzug bereitstellen, um ein Anzeigebild zu generieren, das aus einer Vielzahl von Bildpunkten aufgebaut ist. Weiter ist eine Überlagerungseinrichtung vorgesehen, welche ein von der Anzeigeeinheit bereitgestelltes Bild dem Bild eines Objektbereichs überlagert, und es gibt eine Kameraeinheit, der ein mit der Überlagerungseinrichtung überlagertes Bild von Anzeigeeinheit und Objektbereich zugeführt wird. Die Kameraeinheit hat einen Bildsensor, dessen Lichtempfindlichkeit als Funktion der Zeit einstellbar ist. Die Lichtempfindlichkeit des Bildsensors ist auf den Farben-Pulssequenzzug derart abgestimmt, dass der Bildsensor aus dem Farben-Pulssequenzzug von einem Displaysegment wenigstens zwei Pulse unterschiedlicher Farben erfassen kann.

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer optischen Beobachtungsvorrichtung mit einer Anzeigeeinheit, die eine Vielzahl steuerbarer Displaypixel aufweist und die eine Überlagerungseinrichtung hat, welche ein von der Anzeigeeinheit bereitgestelltes Bild dem Bild eines Objektbereichs überlagert, wird ein mit der Überlagerungseinrichtung überlagertes Bild von Anzeigeeinheit und Objektbereich einer Kameraeinheit mit Bildsensor zugeführt. Dabei sendet ein Displaypixel der Anzeigeeinheit sequentiell Farbenpulse aus und eine Lichtempfindlichkeit des Bildsensors wird so eingestellt, dass der Bildsensor aus dem Farben-Pulssequenzzug von einem Displaypixel wenigstens zwei Pulse unterschiedlicher Farben erfasst.

Auf diese Weise wird gewährleistet, dass von dem Bildsensor der Beobachtungsvorrichtung eine farbige Anzeigeinformation erfasst wird, da unterschiedliche Farben aus der Displayanzeige detektiert werden können.

In Weiterbildung der Erfindung spannen die Farben der Lichtpulse einen Farbraum auf. Hierbei wird unter Farbraum ein Ausschnitt aus dem CIE-Diagramm verstanden, wie es etwa in 5 der Publikation „SXGA Resolution FLC Microdisplay, M. Bich et al., SID 2002, ISSN/0002-0966X/02/3302-0954" offenbart ist. Vorzugsweise handelt es sich bei den Farben der Lichtpulse um Komplementärfarben, um so eine möglichst farbtreue Bilddarstellung mit dem Display zu ermöglichen. Indem mit dem Bildsensor wenigstens drei Farbenpulse aus einem Farbensequenzpulszug erfasst werden, wird gewährleistet, dass der Bildsensor wenigstens eine Grobfarbinformation detektiert.

Bei der optischen Beobachtungsvorrichtung ist die Anzeigeeinheit so ausgelegt, dass ein Displaysegment der Anzeigeeinheit sequentiell Farbenpulse unterschiedlicher Farben mit zeitlich variabler, beispielsweise zeitlich abfallender Pulsdauer bereitstellen kann, wobei der Bildsensor ein Zeitfenster für Lichtempfindlichkeit hat, das wenigstens zwei Farbenpulse mit zwei, vorzugsweise drei unterschiedlichen Farben abdeckt. So kann einem Beobachter ein Displaybild mit Farbinformation im Beobachtungsstrahlengang dem Bild eines Beobachtungsbereiches überlagert werden und für Dokumentationszwecke, soweit der Display-Bildanteil betroffen ist, mit einer Kamera bei lediglich unbedeutetem Farbinformationsverlust erfasst werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Anzeigeeinheit so ausgelegt, dass ein Displaysegment der Anzeigeeinheit sequentiell Farbenpulse unterschiedliche Farben mit variabler Pulsintensität bereitstellen kann, wobei der Bildsensor Zeitfenster für Lichtempfindlichkeit hat, die der Dauer eines Farbenpulses entsprechen und zeitlich so verschoben werden, dass sequentiell unterschiedliche Farben abgetastet werden können. Auf diese Weise ist es möglich, einem Beobachtungsbild ein zeitlich sich änderndes Displaybild zu überlagern und ohne jeglichen Farbinformationsverlust abzuspeichern.

In Weiterbildung der optischen Beobachtungsvorrichtung haben eine Bildwiederholrate der Anzeigeeinheit und eine Wiederholrate für das Zeitfenster des Bildsensors ein ganzzahliges gemeinsames Vielfaches, in anderen Worten ausgedrückt, das Verhältnis dieser Raten ist ein rationaler Bruch. Auf diese Weise kann durch einmalige Synchronisation von Anzeigeeinheit und Bildsensor das Erfassen von Bildinformation aus der Anzeigeeinheit mit dem Bildsensor gewährleistet werden.

Indem der Kameraeinheit das überlagerte Bild von Anzeigeeinheit und Objektbereich über ein Graufilter oder eine Blende zugeführt wird, kann ebenfalls eine Abstimmung der Lichtempfindlichkeit des Bildsensors auf die Farben-Pulssequenz des Displays erzielt werden.

Wird die optische Beobachtungsvorrichtung so betrieben, dass ein Displaysegment der Anzeigeeinheit sequentiell Farbenpulse aussendet, wobei eine Lichtempfindlichkeit des Bildsensors so eingestellt wird, dass der Bildsensor aus der Farben-Pulssequenz von einem Displaysegment wenigstens zwei Pulse unterschiedlicher Farben erfasst, wird ein Abspeichern des so erzeugten überlagerten Bildes bei vergleichsweise geringem Informationsverlust ermöglicht.

Dabei ist möglich, dass das Displaysegment Farbenpulse unterschiedlicher Pulsdauer aussendet und der Bildsensor wenigstens einen Farbenpulszug mit drei unterschiedlichen Farben erfasst, vorzugsweise sogar zwei oder mehr Farbenpulszüge mit möglichst drei unterschiedlichen Komplementärfarben.

Vorzugsweise werden von einem Displaysegment aufeinenderfolgend Farbenpulse mit unterschiedlichen Farben ausgesendet, d.h. die Farben benachbarter Farbenpulse in einem Pulssequenzzug sind verschieden. Alternativ oder zusätzlich kann das Displaysegment auch Farbenpulse unterschiedlicher Farben mit variabler Pulsintensität aussenden, wobei dann ein Zeitfenster für Lichtempfindlichkeit des Bildsensors so verschoben wird, dass der Bildsensor sequentiell unterschiedliche Farben abtastet.

Der Bildsensor in der Kameraeinheit der optischen Beobachtungsvorrichtung kann als 1-Chip monochromer CMOS-Bildsensor ausgebildet sein. Vorzugsweise ist in diesem Fall eine im Beleuchtungsstrahlengang einer Beleuchtungseinrichtung bewegbar angeordnete CIE-Farbfiltereinrichtung vorgesehen. Indem eine Bewegung der CIE-Farbfilter auf die Farbenpulse des Displays abgestimmt wird, kann dann mit dem 1-Chip monochromen CMOS-Bildsensor Farbinformation sowohl hinsichtlich des Displaybildes als auch hinsichtlich des ihm zugeführten Objektbereichbildes erfasst werden.

In Weiterbildung der Erfindung kann eine Regeleinheit vorgesehen sein, die einer Lichtquelle für Beleuchtungslicht zugeordnet ist. Dieser Regeleinheit wird ein Helligkeitssignal eines mit dem Bildsensor erzeugten Videobildes zugeführt, um die Helligkeit der Lichtquelle für Beleuchtungslicht so zu regeln, dass der Bildsensor ein Videobild konstanter Bildhelligkeit erzeugt. Auf diese Weise ist es möglich, den Dynamikbereich des Bildsensors stets maximal auszunutzen und damit Bildinformation mit gutem Signal-Rauschverhältnis zu erfassen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform für eine optische Beobachtungsvorrichtung mit Anzeigeeinheit und Kamera;
2 die Anzeigeeinheit der optischen Beobachtungsvorrichtung aus 1 mit Displaypixeln;
3 eine Variante eines Farbenpulssequenzzugs eines Displaypixels der Anzeigeeinheit aus 2 und die Lage eines Zeitfensters für Lichtempfindlichkeit der Kamera;
4 eine zweite Ausführungsform für eine optische Beobachtungsvorrichtung mit Anzeigeeinheit, bei der einer Kamera ein Graufilter zugeordnet ist;
5 einen Farbenpulssequenzzug und ein Zeitfenster für Lichtempfindlichkeit der Kamera bei der optischen Beobachtungsvorrichtung aus 4;
6 eine dritte Ausführungsform für eine optische Beobachtungsvorrichtung mit Kamera; und
7 einen Farbenpulssequenzzug eines Displaypixels in einer Anzeigeeinheit der optischen Beobachtungsvorrichtung aus 6 und die Lage von Zeitfenstern für Lichtempfindlichkeit der Kamera bei dieser Beobachtungsvorrichtung;
8 einen Farbenpulssequenzzug eines Displaypixels in einer Anzeigeeinheit der optischen Beobachtungsvorrichtung aus 6 und die Lage von Zeitfenstern für Lichtempfindlichkeit bei einer Kamera mit CMOs-Bildsensor;
9 eine vierte Ausführungsform für eine optische Beobachtungsvorrichtung, in der eine Kamera mit einen 1-Chip monochromen CMOS-Bildsensor vorgesehen ist; und
10 einen Farbenpulssequenzzug eines Displaypixels in einer Anzeigeeinheit der optischen Beobachtungsvorrichtung aus 6 und die Lage von Zeitfenstern für Lichtempfindlichkeit des monochromen CMOS-Bildsensors.
Die 1 zeigt als optische Beobachtungsvorrichtung ein Operationsmikroskop 100, das mit einem stereoskopischen Beobachtungsstrahlengang 101, 102 durch ein Operationsmikroskop-Hauptobjektiv 103 die Beobachtung eines Objektbereichs 104 ermöglicht. Das Operationsmikroskop umfasst eine Einrichtung zur Dateneinspiegelung mit einem Display 105, welches als Ein-Panel-Display ausgebildet ist. Dem Display 105 sind ein Strahlteilerwürfel 106 und ein Umlenkelement 107 zugeordnet, die einen stereoskopischen Display-Strahlengang 108 und 109 generieren.
Weiter ist in dem Operationsmikroskop ein Strahlteilerwürfel 110 vorgesehen, der als Überlagerungseinrichtung wirkt, die ein von dem als Anzeigeeinheit fungierenden Display bereitgestelltes Bild dem Bild des Objektbereichs 104 im stereoskopischen Beobachtungsstrahlengang 101, 102 des Operationsmikroskops überlagert. Dieses Bild kann in einem Binokulartubus 120 betrachtet werden.
Durch den Strahlteilerwürfel 110 wird das Bild des Displays 105 und das Bild des Objektbereichs 104 durch das Mikroskop-Hauptobjektiv 103 hindurch mit einem stereoskopischen Strahlengang einer Kameraeinheit 111 mit Bildsensor 112 und einer Kameraeinheit 113 mit Bildsensor 114 zugeführt.
Das Operationsmikroskop 100 hat weiter eine Beleuchtungseinrichtung 115, welche Beleuchtungslicht für den Objektbereich 104 erzeugt. Dieses Beleuchtungslicht gewährleistet, dass der Objektbereich 104 mit größtmöglichem Kontrast und Helligkeit untersucht werden kann.
Aufgrund der großen Lichtstärke der an den Bildsensoren 112, 114 anliegenden Bilder ergibt sich ein vergleichsweise kurzes Zeitintervall für Lichtempfindlichkeit dieser Bildsensoren. Um dennoch zu gewährleisten, dass zumindest kein merklicher Informationsverlust der mit den Bildsensoren erfassten Displayinformation auftritt, sind bei der optischen Beobachtungsvorrichtung 100 jeweils der Bildsensor 112 mit dem Display 105 und der Bildsensor 114 mit dem Display 105 aufeinander abgestimmt ausgelegt, was nachfolgend anhand der 2 und 3 näher erläutert wird.
Die 2 zeigt schematisch das Display 200. Das Display 200 hat Display-Pixel 201, die für ein einstellbares Zeitintervall in einer der Komplementärfarben Rot (R), Grün (G) oder Blau (B) zum Leuchten gebracht werden können. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Display 200 um ein schnell schaltbares Display.
Das Display kann als DMD-System ausgelegt sein, das eine Vielzahl von Mikrospiegeln aufweist. Einem solchen Display sind Lichtquellen für die Komplementärfarben Rot (R), Grün (G) und Blau (B) zugeordnet. Dabei entspricht ein jeder Mikrospiegel einem ansteuerbaren Display-Pixel. Durch geeignetes Ansteuern der Mikrospiegel und der Lichtquellen kann ein jedes Display-Pixel für ein einstellbares Zeitintervall in einer der Komplementärfarben zum Leuchten gebracht werden.
Alternativ kann es sich beim dem Display aber auch um ein FLC-Mikrodisplay oder irgend ein anderes schnell schaltendes Display handeln.
Die 3 erläutert einen Betrieb des Displays 200. Das von Displaypixel 201 aus 2 ausgesendete Licht als Funktion der Zeit (t) ist in der 3 aufgetragen. Entsprechend einer Ansteuerung der Mikrospiegel des Displays und deren Beleuchtung in den Komplementärfarben R, G, B (Rot, Grün, Blau) leuchten die Display-Pixel mit der Intensität I₀ in der entsprechenden Farbe oder sind ausgeschaltet.
Der Farb- und Helligkeitseindruck, welches ein Displaysegment bei einem Beobachter hervorruft, rührt daher, dass in einer Steuerzeit t_S das Displaypixel einen Farben-Pulssequenzzug 300 aus Lichtpulsen abnehmender Dauer aussendet, wobei t_S ca. 20ms beträgt. Dabei wechseln sich in dem betreffenden Pulssequenzzug aufeinanderfolgend Lichtpulse unterschiedlicher Farben ab. Bei dem anhand der 3 erläuterten speziellen Display-Betriebsmodus wird eine 8 Bit Helligkeitsabstufung pro Farbe für den Bildeindruck bei einem Beobachter ermöglicht. Auf den Pulssequenzzug 300 folgt ein Pulssequenzzug 330 und so weiter. Für Bilderzeugung werden kontinuierlich Pulssequenzzüge wie der Pulssequenzzug 300 aneinandergereiht.
Der Pulssequenzzug 300 ist aus verschiedenen Pulssequenzen aufgebaut. So wird bei „Bit 7" eine R, G, B – Pulssequenz 301 mit Farben-Pulsen 310, 311 und 312 bereitgestellt, wobei die Dauer der Farben-Pulssequenz 301 mit den Komplementärfarben R, G, B ca. t_S/8 = 2.5ms beträgt. Dabei hat die Farben-Pulssequenz 301 einen R-Lichtpuls 310 der Intensität I = I₀ und einer Länge t₇ von ca. 400μs. Der B-Lichtpuls hat eine entsprechende Länge bei gleicher Intensität. Dagegen beträgt die Intensität des G-Lichtpulses über die gleiche Länge I = 0. Zur Darstellung eines anderen Farbtons ist es natürlich gegebenenfalls erforderlich, auch Licht mit G-Farbton bereitzustellen. An die „Bit 7"-Pulssequenz schließt sich eine „Bit 6"-Pulssequenz 303 mit Lichtpulsen 313, 314 und 315 der charakteristischen Länge von ca. t₆ = 280μs. Darauf folgt eine „Bit 5"-Pulssequenz etc. bis zur „Bit 0"-Pulssequenz 305 mit Lichtpulsen 316, 317 und 318, bei der die charakteristische Länge eines Farben-Pulses t₀ = 160μs beträgt. Da die Steuerzeit t_S ca. 20ms ist, nimmt das Auge eines Beobachters aufgrund seiner Trägheit das Leuchtsignal von dem Displaysegment nicht als flackernden Pulszug sondern als Licht mit einem bestimmten Farbton war.
Soll mit den Bildsensoren 112 bzw. 114 aus 1 ein Bild eines Beobachtungsbereiches mit großer Lichtstärke erfasst werden, so ist es nicht möglich, die Bildsensoren über die gesamte Steuerzeit t_S empfindlich zu halten. In den Bildsensoren können beispielsweise CCD-Arrays oder CMOS-Arrays eingesetzt werden. Eine mögliche Ausführungsform für einen Bildsensor ist, drei CCD-Arrays jeweils chromatische Teilerprismen zuzuordnen, welche ein zugeführtes Bild in entsprechende Komplementärfarben zerlegen. Bei solchen Bildsensoren werden die drei CCD-Arrays in der Regel alle gleichzeitig belichtet und verdunkelt.
Werden beispielsweise in den Bildsensoren CCD-Arrays verwendet, ist nämlich die Lichtmenge, die mit einem lichtempfindlichen Pixel erfasst werden kann, durch die Kapazität des betreffenden Detektors begrenzt. Bei dem Pixel kann nur Ladung bis zu einer bestimmten Obergrenze angesammelt werden. Wird diese Obergrenze überschritten, ist das entsprechende CCD-Array nicht mehr länger lichtempfindlich. Entsprechende Überlegungen gelten auch für andersartige Bildsensoren, beispielsweise Bildsensoren mit chemischem Film.
Um sicherzustellen, dass mit den Bildsensoren 112 bzw. 114 auch die Displayinformation von Display 105 erfasst wird, wird die Dauer t_E eines Zeitfensters 320 für Lichtempfindlichkeit des Bildsensors 112 bzw. 114 vorzugsweise auf Bit 7 und Bit 6 des Displays abgestimmt, was der Ansteuerzeit t_S/4 von ca. 5ms für das Displaypixel entspricht. Selbstverständlich ist es möglich, das Zeitintervall für Lichtempfindlichkeit des Displays auf Bit 5 und Bit 4 auszudehnen, wenn es die Helligkeit des Bildes des Beobachtungsbereiches zulässt.
Um Farbenpulse aus dem dem Pulssequenzzug 300 folgenden Pulssequenzzug 330 zu erfassen, haben die Bildsensoren 112 bzw 114 ein dem Zeitfenster 320 für Lichtempfindlichkeit folgendes entsprechendes Zeitfenster 340. Dem Zeitfenster 340 folgen fortlaufend weitere Zeitfenster für Pulssequenzzüge, die sich an die in der 3 gezeigten Pulssequenzzüge 300 und 330 anschließen.
Es sei bemerkt, dass anhand von 3 die Dauer der Farben-Lichtpulse sowie die Dauer der Farben-Pulssequenz lediglich beispielhaft erläutert sind. Diese Grössen sind nicht auf die angegebenen Zahlenwerte festgelegt. Auch ist es möglich, der entsprechenden Helligkeitsabstufung eine andere Kodierung zugrunde zu legen. Darüber hinaus ist die betreffende Farbabstufung nicht auf die erläuterte 8 Bit-Abstufung beschränkt sondern es sind auch feinere oder gröbere Farbabstufungen möglich. Darüber hinaus können zur Farbdarstellung anstelle der Komplementärfarben R, G, B auch andere Komplementärfarben verwendet werden. Falls nicht angestrebt wird, mit dem Display sämtliche Farben im Ausschnitt eines CIE-Diagramms darstellen zu können, sind als Farbenpulse, die von Displaypixeln ausgesendet werden, auch Farben möglich, die zueinander keine Komplementärfarben sind. So kann etwa auch vorgesehen sein, mit einem Displaypixel lediglich zwei unterschiedliche Farben zu erzeugen.
Die 4 zeigt eine modifizierte Ausführungsform 400 für ein Operationsmikroskop als optische Beobachtungseinrichtung mit Einrichtung zur Dateneinspiegelung. Das Operationsmikroskop 400 ermöglicht mit einem stereoskopischen Beobachtungsstrahlengang 401, 402 durch ein Operationsmikroskop-Hauptobjektiv 403 hindurch die Beobachtung eines Objektbereichs 404 mit einem Binokulartubus 407. Als Einrichtung zur Dateneinspiegelung ist wiederum ein schnell schaltendes Display 405 vorgesehen, etwa ein DMD-Display oder ein FLC-Display. Grundsätzlich könnte aber auch als Display 405 ein langsam schaltendes Display verwendet werden, etwa ein nematisches LCoS-Display.
Das Bild des Displays wird über einen Strahlteilerwürfel 406 dem Bild des Objektbereichs 404 überlagert und einer Kameraeinheit 408 mit Bildsensor 409 zugeführt. Zur Beleuchtung des Objektbereichs 404 ist eine Lichtquelle 410 vorgesehen.
Vor dem Bildsensor 409 ist ein Graufilter 411 angeordnet. Dieser Graufilter 411 vermag die Lichtstärke der auf den Bildsensor auftreffenden Bildinformation zu steuern. Es ist somit möglich, das Zeitintervall, in dem der Bildsensor auch bei starker Beleuchtung des Objektbereichs empfindlich gehalten werden kann, zu verlängern und unter Umständen auch zu verkürzen. Ein solches Graufilter kann beispielsweise mechanisch als Keilfilter variabler Transmission, oder als sich drehendes Filterrad variabler Transmission ausgeführt sein. Es ist jedoch auch möglich, das Graufilter elektrooptisch auszubilden, etwa als LC-Shutter oder als Glasplatte mit elektrochromer Schicht. Geeignete Glasplatten mit elektrochromer Schicht werden beispielsweise von der Firma Gesimat GmbH, Gesellschaft für intelligente Materialien und Technologien, Innovationspark Wulheide, Haus 109, 12555 Berlin, gefertigt. Weiter ist es möglich, Polymershutter als Graufilter einzusetzen, etwa den Polymershutter LCP 250 der Firma Anteryon, Zwaanstraat 2a, 5651 CA Eindhoven, Niederlande.
Um die Wirkung eines Graufilters zu erhalten, ist es alternativ auch möglich, vorzugsweise in einer Pupillenebene eines entsprechenden Abbildungsstrahlenganges der Kamera eine steuerbare Blende vorzusehen, die ebenfalls die Lichtstärke des auf den Bildsensor auftreffenden Lichts einstellt.
Dies bewirkt, wie anhand von 5 erläutert, dass der Bildsensor 409 für einen vollständigen Farben-Pulssequenzzug 500 mit Steuerzeit t_S über sein mit Bezugszeichen 501 angedeutetes Zeitfenster für Lichtempfindlichkeit belichtet werden kann, wobei die vollständige Bildinformation von Display 405 erfasst wird. Durch die Anordnung des Graufilters 411 vor dem Bildsensor 409 ist also eine Abstimmung der Lichtempfindlichkeit des Bildsensors 409 auf den Komplementärfarben-Pulssequenzzug des Displays möglich.
6 zeigt eine weitere modifizierte Ausführungsform 600 für ein Operationsmikroskop mit Einrichtung zur Dateneinspiegelung. Dabei sind Baugruppen, die Bauteilen der anhand von 4 erläuterten Beobachtungsvorrichtung entsprechen, mit um die Zahl 200 erhöhten Bezugszeichen versehen.
Bei dem Operationsmikroskop 600 ist als Display 605 ein nematisches LCoS-Display vorgesehen, das gegenüber einem DMD- oder FLC-Display nur vergleichsweise langsam geschaltet werden kann, dabei aber ein quasikontinuierliches Durchstimmen der Intensität des von einem Pixel ausgesendeten Lichts ermöglicht.
In 7 ist die Intensität des von einem Displaypixel als Funktion der Zeit ausgesendeten Lichts aufgetragen. Für einen Beobachter wird in einem Bilddauerintervall t_S1 von ca. 20ms ein Pixel-Farbeindruck mit einem aus 3 Farbenpulsen 701, 702 und 703, bestehenden Farbenpulszug 730 (erzeugt, wobei die Farben der Farbenpulse) vorzugsweise in den Komplementärfarben Rot (R), Grün (G) und Blau (B) gehalten sind. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Farben möglich. Dabei beträgt die Länge eines Farben-Pulses ca. 3.5ms, die Amplitude eines Pulses ist jedoch einstellbar. Um ein bewegtes oder ein stehendes Bild anzuzeigen, werden aufeinanderfolgende Tripel von Farbenpulsen 701, 702, 703, 704, 705, 706, 707, 708, 709, 710 etc. in Form von Farbenpulssequenzen 730, 731, 732 etc. aneinandergereiht, die einen Farbenpulssequenzzug 700 bilden. Wie bei dem anhand von 1 und 4 beschriebenen Operationsmikroskopen ist es nicht möglich, bei intensitätsstarker Beleuchtung des Objektbereichs 604 die Kamera 608 mit Bildsensor 609 empfindlich zu halten. Würde ein Zeitfenster für die Empfindlichkeit der Kamera 608, dessen Länge wie anhand von 3 erläutert in der Größenordnung von 5ms liegt, auf den Beginn des Steuerintervalls t_S eingestellt werden, so wäre die Folge, dass dem Bildsensor 609 der Kamera 608 nur Farbinformation in einer Farbe zugeführt wird. Andererseits können übliche Bildsensoren wie CCDs für eine Steuerzeit t_S von ca. 20ms nicht mehrfach empfindlich geschaltet und ausgelesen werden. Um dem Bildsensor 609 Farbinformation in den Farben R, G und B zuzuführen wird deshalb die Lichtempfindlichkeit des Bildsensors auf den Farbenpulssequenzzug 700 derart abgestimmt, dass der Bildsensor 609 von einem Displaypixel aufeinanderfolgend Pulse unterschiedlicher Farben erfasst.
So wird beispielsweise in dem Bilddauerintervall t_S1 für die Zeit t_E1 ein Empfindlichkeitszeitfenster 720 des Bildsensors entsprechend dem Farbpuls „R" gelegt. In dem auf das Bilddauerintervall t_S1 folgende Bilddauerintervall t_S2 wird für die Zeit t_E2 ein Empfindlichkeitszeitfenster 721 des Bildsensors relativ zur Steuerzeit t_S2 verschoben und dem Farbpuls „G" angepasst. In dem darauffolgenden Bilddauerintervall t_S3 liegt das entsprechende Empfindlichkeits-Zeitfenster 722 zur Zeit t_E3 so, dass der Farbpuls Blau von dem entsprechenden Displaypixel erfasst wird. Aus aufeinanderfolgenden Farbenpulssequenzen 730, 731, 732 werden damit von dem Bildsensor Farbenpulse 701, 705, 709 erfasst, deren Farben verschieden sind.
Es sei bemerkt, dass die Empflindlichkeits-Zeitfenster 720, 721, 722 auch mittels eines geeignet ansteuerbaren Shutters der elektrooptisch oder mechanisch ausgebildet sein kann, eingestellt werden können. Bei Einsatz einer schnellen Kamera ist es möglich, mit jedem Farbpuls 701, 702, 703 etc. ein Bild aufzunehmen. Durch elektronisches Summieren der sukzessiv aufgenommenen Bilder kann dann der Farbeindruck, den eine Beobachtungsperson beim Betrachten des Displays hat, wieder hergestellt werden.
Der Einsatz von CMOS-Bildsensoren für eine Bildaufnahme gestattet es, nicht nur die Lage eines Zeitfensters, sondern auch dessen Länge individuell an die Farbimpulse eines sequentiellen Displays anzupassen.
Die 8 erläutert, wie mit einem solchen CMOS-Bildsensor die Lichtempfindlichkeit des Bildsensors an die Farbimpulse eines sequentiellen Displays angepasst werden kann. Besteht bei Standardbildsensoren nur die Möglichkeit ein Bild bzw. Halbbild „am Stück", d.h. „ohne Unterbrechung" zu belichten, so kann bei CMOS-Bildsensoren Pixel für Pixel mittels elektronischer Schalter die lichtempfindliche Fotodiode vom Integrations-Kondensator getrennt werden. So kann ein Zeitintervall für Lichtempfindlichkeit eines Sensorpixels definiert über Bruchteile von einer 1000tel Sekunde eingestellt werden.
Entsprechend 7 wird in einem Bilddauerintervall t_S1 von ca. 20ms ein Pixel-Farbeindruck mit einem aus drei Farbenpulsen 801, 802, 803 bestehenden Farbenpulssequenz 830 erzeugt. Die Länge eines Farbenpulses beträgt ca. 8.5ms. Die Amplitude eines Pulses ist einstellbar. Zur Darstellung eines Bildes werden aufeinanderfolgende Folgen von Farbenpulsen 801, 802, 803, 804, 805, 806, 807, 808, 809, 810 in Form von Farbenpulssequenzen 830, 831, 832 aneinander gereiht. Die Lichtempfindlichkeit des CMOS-Bildsensors ist dabei auf den Farbenpulssequenzzug 800 derart abgestimmt, dass im Belichtungszeitintervall 841 ein für die Farbe Rot (R) empfindlicher Pixel über das Zeitintervall
belichtet wird.
Vorzugsweise unterbleibt in diesem Zeitintervall eine Belichtung von Pixeln, welche für die Farben Grün (G) bzw. Blau (B) empfindlich sind. Im Zeitintervall 842 der Dauer
erfolgt eine Belichtung der CMOS-Bildsensorpixel, welche für die Farbe Grün (G) empfindlich sind. Dabei werden möglichst die übrigen, für die Farben Rot und Blau sensitiven Pixel unempfindlich gehalten. Schließlich werden im Zeitintervall 843 der Dauer
die für die Farbe Blau empfindlichen Pixel sensitiv geschaltet, während die für Rot und Gründ empfindlichen Pixel unempfindlich für Licht sind.
Dabei kann die Länge der Zeitintervalle für Belichtung der lichtempfindlichen Pixel des CMOS-Bildsensors an die Intensität der Farbimpulse des Displays angepasst werden. Eine solche Anpassung wurde für das Bilddauerintervall t_S2 vorgenommen: Die Länge der Belichtungszeitintervalle 844, 845 und 846 über die Zeiten
bzw.
wurde vergrößert, da die Intensität des Grün-Farbimpulses 805 in diesem Belichtungszeitintervall vergleichsweise gering ist. Es ist jedoch möglich, die Länge der Belichtungszeitintervalle für den Bildsensor auch aufgrund von anderen Farbimpulsen zu steuern oder die Belichtungszeitintervalle entsprechend einer momentanten Displayhelligkeit einzustellen.
Die 9 zeigt eine weitere modifizierte Ausführungsform 900 für ein Operationsmikroskop mit Einrichtung zur Dateneinspiegelung. Dabei sind Baugruppen, die Bauteilen der anhand von 6 erläuterten Beobachtungsvorrichtung entsprechen, mit um die Zahl 300 erhöhten Bezugszeichen versehen.
Das Operationsmikroskop 900 umfasst einen 1-Chip monochromen CMOS-Bildsensor 909. Ein solcher monochromer Bildsensor 909 ist für Licht des sichtbaren Spektralbereichs empfindlich. Über einen Strahlteiler 906 wird dem Bildsensor 909 das Licht von Display 905 und das Licht aus dem Objektbereich 904 überlagert. Der Beleuchtungseinrichtung 910 des Operationsmikroskops 900 ist ein CIE-Farbfilterrad 911 zugeordnet. Das Filterrad enthält drei CIE-Farbfilter, welche durch schnelles Drehen des Rades 911 durch den Beleuchtungsstrahlengang des Operationsmikroskops 900 bewegt werden. Die Bewegung des CIE-Farbfilterrads 911 ist mit dem Bildsensor 909 gekoppelt, was anhand der 10 näher erläutert wird.
In 10 ist die Intensität des von einem Displaypixel als Funktion der Zeit ausgesendeten Lichts aufgetragen. Für einen Beobachter wird in einem Bilddauerintervall t_S1 von ca. 20ms ein Pixel-Farbeindruck mit einem aus 3 Farbenpulsen 1001, 1002 und 1003, bestehenden Farbenpulszug 1030 erzeugt. Dabei sind die Farben der Farbenpulse in verschiedenen Komplementärfarben gehalten, vorzugsweise in den Komplementärfarben Rot (R), Grün (G) und Blau (B). Die Länge eines Farben-Pulses beträgt ca. 3.5ms, die Amplitude eines Pulses ist jedoch einstellbar. Um ein bewegtes oder ein stehendes Bild anzuzeigen, werden aufeinanderfolgende Tripel von Farbenpulsen 1001, 1002, 1003, 1004, 1005, 1006, 1007, 1008, 1009, 1010 etc. in Form von Farbenpulssequenzen 1030, 1031, 1032 etc. aneinandergereiht, die einen Farbenpulssequenzzug 1000 bilden.
Synchron mit den aufeinanderfolgenden Farbpulsen 1001, 1002 etc. des Display 905 aus 9 werden entsprechend dem Graph 1040 in 10 die CIE-Farbfilter durch den Beleuchtungsstrahlengang des Operationsmikroskops bewegt.
Ebenfalls synchron mit der Bewegung des Farbfilters und mit den Pulsen unterschiedlicher Farben des Displays 905 erfolgt ein Belichten des monochromen 1-Chip CMOs-Sensors aus 9 in steuerbaren Zeitintervallen 1041, 1042, 1043, 1044, 1045, 1046 der Dauer
,
etc.
Aus Kenntnis der zeitlichen Lage der Farbenpulse 1001, 1002,... des Displays 905 aus 9 und des über das entsprechende Zeitintervall sich im Beleuchtungsstrahlengang befindende CIE-Filter ist es möglich, aus dem mit dem monochromen 1-Chip CMOS-Bildsensor aufgenommenen Lichtsignalen ein farbiges Bild zu errechnen, das der Wahrnehmung des Auges eines Betrachters entspricht, der durch den Tubus 907 des Operationsmikroskops 900 aus 9 blickt.
Um die Kamera immer im Bereich eines maximalen Belichtungszeitintervalls betreiben zu können, kann vorgesehen sein, die Leistung der im dem entsprechenden Operationsmikroskop eingesetzten Lichtquelle für Beleuchtungslicht auf den zur Verfügung stehenden Dynamikbereich des Sensors der Kamera hin einzustellen. Hierzu ist bei der optischen Beobachtungsvorrichtung 900 in 9 eine Regeleinheit 912 vorgesehen, welche mit dem Bildsensor 909 und der Lichtquelle 910 verbunden ist. Diese Regeleinheit 912 regelt die Helligkeit der Lichtquelle für Beleuchtungslicht 910 so, dass der Bildsensor 909 stets ein Videobild konstanter Bildhelligkeit erzeugt. Hierfür wird der Regeleinheit 912 ein Helligkeitssignal eines mit dem Bildsensor 909 erzeugten Videobildes zugeführt. Aufgrund dieses Signals wird dann die Helligkeit der Lichtquelle für Beleuchtungslicht 910 eingestellt.
Weiter ist es möglich, die Zeitintervalle für Lichtempfindlichkeit eines Bildsensorpixels an die Helligkeit des zusätzlich erfassten Bildes eines Operationsbereichs zu koppeln. Hierzu kann beispielsweise die Helligkeit des abgebildeten Operationsbereichs als Eingangsgröße erfasst werden. Alternativ ist es aber auch möglich, die Leistung der eingesetzten Operationsmikroskop-Lichtquelle als Eingangssignal für eine Belichtungszeitintervallsteuerung heranzuziehen.
CMOS-Bildsensoren ermöglichen nicht nur das individuelle Einstellen der Empfindlichkeit eines Displaypixels, diese Bildsensoren können hinsichtlich der Helligkeit eines erfassten Bildes auch für einen hohen Dynamikbereich ausgelegt werden. Damit kann grundsätzlich die Lichtempfindlichkeit des Bildsensors auch auf einen festen maximalen Wert eingestellt werden, der beispielweise unter Bezugnahme auf die 8 in etwa dem Zeitintervall
entspricht, oder unter Bezugnahme auf die 5, in etwa dem Zeitintervall t_S.
Allgemein gesprochen wird also der Bildsensor periodisch mit geringerer Rate ausgelesen als Bildinformation mit dem entsprechenden Display periodisch generiert wird. Es erfolgt also eine Synchronisation von Displayanzeige und Kamera. So kann etwa die Feldfrequenz (color field rate) des Displays nicht auf die übliche Frequenz von 360Hz (bei NTSC-Videonorm) bzw. 300Hz (bei PAL-Videonorm) eingestellt werden, sondern lediglich auf ¾ dieser Frequenz, das sind 270Hz bzw. 225 Hz. Damit werden dem Bildsensor 609 der Kamera 608 über drei Bildaufnahmen hintereinander die Komplementärfarben, aus denen das Displaybild aufgebaut ist, wenigstens einmal zugeführt. Mit der Kamera ist somit eine Farbbilderfassung des von dem Display angezeigten Bildes möglich. Allerdings werden die Bilder des Displays mit Informationsverlust erfasst, da lediglich in drei Steuerzeitintervallen zusammen alle Komplementärfarben detektiert werden. Eine der Aufnahme entsprechende Wiedergabe der aufgenommenen Display-Bilder ist deshalb in diesem Fall nur mit 1/3 der beim Display verwendeten Video-Frequenz möglich. Selbstverständlich sind auch andere Sequenzen für die Zeitfenster für Empfindlichkeit des Displays bzw. die Lichtpulse der Displaypixel denkbar. Eine vergleichsweise einfache Synchronisation von Displayanzeige und Kamera ist möglich, indem die Pixelwiederholrate von Display und die Rate für Lichtempfindlichkeit des Bildsensors so gelegt werden, dass sie ein gemeinsames Vielfaches haben, d.h. dass das Verhältnis dieser Raten eine rationale Zahl ist.

Claims

Optische Beobachtungsvorrichtung (100, 400, 600, 900) zur Beobachtung eines Objektbereichs – mit einer Anzeigeeinheit (105, 405, 605, 905), die eine Vielzahl steuerbarer Displaypixel (201) aufweist, die Licht in unterschiedlichen Farben bereitstellen, um ein Anzeigebild zu generieren, das aus einer Vielzahl von Bildpunkten aufgebaut ist, – mit einer Überlagerungseinrichtung (110, 406, 606, 906), welche ein von der Anzeigeeinheit bereitgestelltes Bild dem Bild eines Objektbereichs überlagert, und – mit einer Kameraeinheit (111, 113, 408, 608, 908), der ein mit der Überlagerungseinrichtung überlagertes Bild von Anzeigeeinheit (105, 405, 605, 905) und Objektbereich (104, 404, 604, 904) zugeführt wird, wobei – die Kameraeinheit (111, 113, 408, 608, 908) einen Bildsensor (112, 114, 409, 609, 909) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Displaypixel (201) der Anzeigeeinheit (105, 405, 605, 905) einen Pulssequenzzug (300, 500, 700, 800, 1000) aus Lichtpuls-Pulssequenzen (301, 303, 305, 730, 731, 732, 830, 831, 832, 1030, 1031, 1032) mit Lichtpulsen aus Licht in unterschiedlichen Farben erzeugt, und – eine Lichtempfindlichkeit des Bildsensors (112, 114, 409, 609, 909) auf den Pulssequenzzug derart abgestimmt ist, dass der Bildsensor (112, 114, 409, 609, 909) aus dem Pulssequenzzug (300, 500, 700, 800, 1000) von einem Displaypixel (201) wenigstens zwei Lichtpulse (302, 304, 701, 702, 703, 801, 802, 803, 1001, 1002, 1003) unterschiedlicher Farben (R, G, B) erfassen kann.
Optische Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Farben der Lichtpulse (302, 304, 701, 702, 703, 801, 802, 803, 1001, 1002, 1003) einen Farbraum aufspannen.
Optische Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Farben der Lichtpulse (302, 304, 701, 702, 703, 801, 802, 803, 1001, 1002, 1003) Komplementärfarben sind (Rot, Grün, Blau).
Optische Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Displaypixel (201) wenigstens drei Lichtpulse (701, 702, 703) unterschiedlicher Komplementärfarben erfasst werden.
Optische Beobachtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Anzeigeeinheit (105, 405) so ausgelegt ist, dass ein Displaypixel (201) der Anzeigeeinheit (105, 405) aufeinanderfolgende Farbenpulse (310, 311, 312, 313, 314, 315, 316) in unterschiedlichen Farben (R, G, B) und mit zeitlich variabler Pulsdauer (t₇, t₆, ..., t₀) bereitstellen kann, und – der Bildsensor (112, 114, 409) ein Zeitfenster (320) für Lichtempfindlichkeit hat, das wenigstens zwei Farbenpulse (310, 311, 312, 313, 314, 315) mit zwei unterschiedlichen Farben (R, G, B) abdeckt.
Optische Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbenpulse (701, 792, 703) eine variable Pulsintensität haben.
Optische Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbenpulse (310, 311, 312, 313, 314, 315, 316) eine gleichbleibende Pulsintensität haben.
Optische Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (112, 114, 409) ein Zeitfenster (320) für Lichtempfindlichkeit hat, das wenigstens zwei Farbenpulssequenzen (301, 303) mit Farbenpulsen (310, 311, 312) abdeckt, die in unterschiedlichen Farben (R, G, B) gehalten sind.
Optische Beobachtungsvorrichtung (600) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Anzeigeeinheit (605) so ausgelegt ist, dass ein Displaysegment der Anzeigeeinheit sequentiell Farbenpulse (701, 702, 703) unterschiedlicher Farben (R, G, B) bereitstellen kann, und – der Bildsensor (609) Zeitfenster (720, 721, 722) hat, in denen der Bildsensor für Zeiten (t_E1, t_E2, t_E3) lichtempfindlich ist, die der Dauer eines Farbenpulses (701, 702, 703) entsprechen und zeitlich so liegen, dass sequentiell unterschiedliche Komplementärfarben (R, G, B) abgetastet werden.
Optische Beobachtungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis einer Pixelwiederholrate der Anzeigeeinheit und einer Wiederholrate für die Zeit für Lichtempfindlichkeit des Bildsensors ein rationaler Bruch ist.
Optische Beobachtungsvorrichtung (400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kameraeinheit (408) das überlagerte Bild von Anzeigeeinheit (405) und Objektbereich (404) über einen Graufilter (411) oder eine Blende zugeführt wird.
Optische Beobachtungsvorrichtung (900) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kameraeinheit (908) ein 1-Chip monochromer CMOS-Bildsensor (909) vorgesehen ist.
Optische Beobachtungsvorrichtung (900) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beleuchtungseinrichtung (910) mit einem CIE-Farbfilterrad (911) vorgesehen ist.
Optische Beobachtungsvorrichtung (900) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine einer Lichtquelle für Beleuchtungslicht (910) zugeordnete Regeleinheit (912) vorgesehen ist, welcher ein Helligkeitssignal eines mit dem Bildsensor (909) erzeugten Videobildes zugeführt wird, um die Helligkeit der Lichtquelle für Beleuchtungslicht (910) so zu regeln, dass der Bildsensor (909) ein Videobild konstanter Bildhelligkeit erzeugt.
Verfahren zum Betrieb einer optischen Beobachtungsvorrichtung (100, 400, 600, 900) mit einer Anzeigeeinheit (105, 405, 905), die eine Vielzahl steuerbarer Displaypixel aufweist, mit einer Überlagerungseinrichtung (110, 406, 606, 906), welche ein von der Anzeigeeinheit (105, 405, 605, 905) bereitgestelltes Bild dem Bild eines Objektbereichs (104, 404, 604, 904) überlagert, und mit einer Kameraeinheit (111, 113, 408, 608, 908) mit Bildsensor (112, 114, 409, 609, 909), der ein mit der Überlagerungseinrichtung (110, 406, 606, 906) überlagertes Bild von Anzeigeeinheit (105, 405, 605, 905) und Objektbereich (104, 404, 604, 904) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Displaypixel (201) der Anzeigeeinheit (105, 405, 605, 905) sequentiell Farbenpulse (310, 311, 312, 701, 702, 703, 801, 802, 803, 1001, 1002, 1003) in einem Farben-Pulssequenzzug (300, 500, 700, 800, 1000) aussendet, und – mit dem Bildsensor (112, 114, 409, 609, 909) aus dem Farben-Pulssequenzzug (300, 500, 700, 800, 1000) von einem Displaypixel (201) wenigstens zwei Farbenpulse (310, 311, 312, 701, 704, 709, 801, 802, 803, 1001, 1002, 1003) unterschiedlicher Farben erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Farbenpulse (310, 313, 316) unterschiedlicher Pulsdauer (t₇, t₆, ..., t₀) in aufeinderfolgenden Lichtpuls-Pulssequenzen (301, 303, 305) ausgesendet werden und der Bildsensor (112, 114) wenigstens eine Lichtpuls-Pulssequenz (301, 303) mit drei unterschiedlichen Farben (R, G, B) erfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Lichtpuls-Sequenz (301, 303, 305) aufeinanderfolgend Farbenpulse (310, 311, 312) mit unterschiedlichen Farben ausgesendet werden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (112, 114) wenigstens zwei Lichtpuls-Pulssequenzen (301, 303) mit unterschiedlichen Farben (R, G, B) erfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Farbenpulse (701, 702, 703) unterschiedlicher Farben (R, G, B) mit variabler Pulsintensität ausgesendet werden und der Bildsensor sequentiell unterschiedliche Farben abtastet.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis einer Rate, mit der Farbenpulse ausgesendet werden und einer Rate mit welcher der Bildsensor unterschiedliche Farben abtastet, eine rationale Zahl ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Beleuchtungsstrahlengang zur Beleuchtung eines Objektbereichs (904) eine CIE-Farbfilteranordnung (911) bewegt wird, wobei die Bewegung der CIE-Farbfilteranordnung auf die sequentiellen Farbenpulse (1001, 1002, 1003) eines Displaypixels der Anzeigeeinheit (905) abgestimmt ist.