DE102011010262A1

DE102011010262A1 - Optisches Beobachtungsgerät mit wenigstens zwei jeweils einen Teilstrahlengang aufweisenden optischen Übertragungskanälen

Info

Publication number: DE102011010262A1
Application number: DE102011010262A
Authority: DE
Inventors: Marco Pretorius; Enrico Geissler; Rudolph Günter; Christoph Nieten; Bryce Anton Moffat; Artur Högele
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: US20120229605A1; DE102011010262B4; US8922624B2

Abstract

Es wird ein Optisches Beobachtungsgerät mit wenigstens einem ersten optischen Übertragungskanal zum Übertragen eines ersten Teilstrahlenbündels (9A) und wenigstens einem zweiten optischen Übertragungskanal zum Übertragen eines zweiten Teilstrahlenbündels (9B) zur Verfügung gestellt. Das optische Beobachtungsgerät umfasst entlang einer optischen Achse (OA1, OA2) angeordnet: – ein den optischen Übertragungskanälen gemeinsames Hauptobjektiv (1), – wenigstens einen elektronischen Bildsensor (7) zur zeitlich sequentiellen Aufnahme der von den optischen Übertragungskanälen übertragenen Teilstrahlenbündel (9A, 9B), – eine zwischen dem Hauptobjektiv (1) und dem Bildsensor (7) angeordnete, den optischen Übertragungskanälen gemeinsame Zwischenabbildungsoptik (3) und – eine zwischen dem Hauptobjektiv (1) und dem Bildsensor (7) in oder in der Nähe einer Bildebene der Zwischenabbildungsoptik (3) angeordnete Kippspiegelmatrix (5) mit einer Anzahl von kippbaren und hinsichtlich ihrer Kippposition ansteuerbaren Kippspiegelelementen (51), wobei jedes Kippspiegelelement (51) wenigstens eine erste Kippstellung und eine zweite Kippstellung aufweist und wobei die Kippspiegelmatrix (5) mit den Kippspiegelelementen (51) in der ersten Kippstellung das erste Teilstrahlenbündel (9A) zumindest mittelbar in Richtung auf den Bildsensor (7) ablenkt und mit den Kippspiegelelementen (51) in der zweiten Kippstellung das zweite Teilstrahlenbündel (9B) zumindest mittelbar in Richtung auf den Bildsensor (7) ablenkt. Die Zwischenabbildungsoptik (3) ist derart relativ zum Hauptobjektiv (1) zur Kippspiegelmatrix (5) und zum Bildsensor (7) angeordnet, dass das jeweilige in Richtung auf den Bildsensor (7) abgelenkte Teilstrahlenbündel (9A, 9B) die Zwischenabbildungsoptik (3) sowohl auf dem Weg vom Hauptobjektiv (1) zur Kippspiegelmatrix (5) als auch auf dem Weg von der Kippspiegelmatrix (5) zum dem Bildsensor (7) passiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Beobachtungsgerät mit wenigstens zwei jeweils einen Teilstrahlengang aufweisenden optischen Übertragungskanälen und einem elektronischen Bildaufnahmesystem zur zeitlich sequentiellen Aufnahme der von den optischen Übertragungskanälen übertragenen Teilstrahlenbündel. Ein Beispiel für ein derartiges optisches Beobachtungsgerät ist ein stereoskopisches optisches Beobachtungsgerät wie etwa ein Stereomikroskop, insbesondere ein Operationsmikroskop. In einem solchen Gerät stellen die Stereokanäle die optischen Übertragungskanäle dar, von denen jeder einen stereoskopischen Teilstrahlengang, also den Strahlengang für ein stereoskopisches Teilbild, an den elektronischen Bildsensor überträgt.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Anordnungen zur Aufnahme stereoskopischer Bilder bekannt, bei denen separate Bildempfänger sowie zumindest in einem Teil des Abbildungsstrahlengangs separate Abbildungsoptiken für die beiden stereoskopischen Teilstrahlengänge vorgesehen sind. Beispielsweise in US 2004/0017607 A1 ist ein Stereomikroskop beschrieben, welches einen für beide stereoskopische Teilstrahlengänge gemeinsamen Strahlteiler sowie ein gemeinsames Hauptobjektiv aufweist. Im Übrigen weist das Mikroskop optische Komponenten und Bildsensoren auf, die jeweils nur für das Teilstrahlenbündel eines stereoskopischen Teilstrahlengangs vorgesehen sind. Derartige Anordnungen weisen prinzipbedingte Nachteile auf, etwa ein großes Bauvolumen und relativ hohe Kosten für das Bereitstellen der doppelten Anzahl von Optiken und Bildsensoren.
Neben den stereoskopischen optischen Beobachtungsgeräten mit gemeinsamem Hauptobjektiv, die auch Teleskopsysteme genannt werden, gibt es auch stereoskopische optische Beobachtungsgeräte, in denen zusätzlich getrennte Hauptobjektive zur Anwendung kommen, so dass die beiden Stereokanäle nur vollständig von den Komponenten des jeweils anderen Kanals getrennte optische Komponenten aufweisen. Derartige Systeme werden Greenough-Systeme genannt. Bei Greenough-Systemen muss zur Bereitstellung stereoskopisch korrekt angepasster Teilbilder in verschiedenen Objektentfernungen eine Anpassung des Divergenzwinkels zwischen den optischen Achsen der Stereokanäle vorgenommen werden. Darüber hinaus müssen die Vergrößerungen der beiden stereoskopischen Teilstrahlengänge exakt identisch sein. Im Falle eines Zoomsystems muss diese Identität der Vergrößerungen über den gesamten Zoombereich gewährleistet sein, was hohe Anforderungen an die Herstellung und die Justage mit sich bringt. Wie bei den Teleskopsystemen mit gemeinsamem Hauptobjektiv und nach Stereokanälen getrennten weiteren optischen Komponenten weisen Systeme vom Greenough-Typ ein großes Bauvolumen und hohe Kosten für die doppelte Anzahl von optischen Komponenten auf. Hinzu kommt beim Greenough-Typ die mechanisch aufwändige Bauweise.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik optische Beobachtungsgeräte bekannt, bei denen die stereoskopischen Teilstrahlengänge durch ein gemeinsames Hauptobjektiv auf einen gemeinsamen Bildempfänger abgebildet werden, der die stereoskopischen Teilbilder zeitlich alternierend aufnimmt. Hierzu ist eine Vorrichtung erforderlich, die in einem ersten Zeitintervall T1 das Licht eines ersten Teilstrahlengangs zum Bildempfänger freigibt und gleichzeitig das Licht des zweiten Teilstrahlengangs sperrt und in einem nachfolgenden zweiten Zeitintervall T2 das Licht des zweiten Teilstrahlengangs zum Bildempfänger freigibt und gleichzeitig das Licht des ersten Teilstrahlengangs sperrt. Die Zeitintervalle T1 und T2 entsprechen dabei der Integrationszeit am Bildsensor und liegen typischerweise in der Größenordnung von einigen Millisekunden. Die benötigte Frequenz für die Kanalumschaltung beträgt dann typischerweise 50 bis 100 Hz. Zum Sperren und Freigeben des Lichtes der Teilstrahlengänge finden dabei typischerweise mit der Kamera synchron schaltbare Blenden (Shutter) Verwendung. Diese Blenden lassen wechselseitig Licht durch eine von zwei Blendenöffnungen passieren. Ein derartiges System ist beispielsweise in US 5,828,487 beschrieben.
Shutter können sowohl auf mechanischen als auch auf optischen Prinzipien basieren und werden pupillennah eingesetzt, um Teilpupillen einer Stereobasis, alternierend frei zu geben und es dem Beobachter so zu erlauben, eine plastische Szene zu sehen. Bei mechanischen Shuttern wird durch eine bewegliche, meist rotierende Vorrichtung der Lichtdurchtritt zum Bildempfänger für einen Stereokanal für ein vorgegebenes Zeitintervall mechanisch gesperrt und gleichzeitig für den anderen Stereokanal freigegeben. Der Vorteil mechanischer Shutter besteht darin, dass für den jeweils freigeschalteten Stereokanal keine Lichtverluste auftreten. Nachteilig ist jedoch, dass ein mechanischer Shutter Vibrationen und Störgeräusche verursachen kann. Dies gilt in besonderem Maße bei höheren Umschaltfrequenzen. Zudem erfordert die Gewährleistung einer exakten Synchronizität zwischen Shutter und Kamera eine Ansteuerung mit Rückkopplungsschleife. Weiterhin bedingt die träge Masse des Shutterbauelements, dass die Umschaltfrequenz nicht abrupt geändert werden kann. Möchte man darüber hinaus mehr als eine Stereobasis erzeugen (dies kann beispielsweise erforderlich sein, wenn bei einem Operationsmikroskop neben dem behandelnden Arzt als Hauptbeobachter noch ein Assistent als Mitbeobachter vorhanden ist, dessen Stereobasis sich von der Stereobasis des Hauptbeobachters um einen Winkel ungleich 180° unterscheidet), so müssen zwei Paare von Pupillen vom Shutter nacheinander bedient werden. Das heißt es darf zeitgleich immer nur durch eine von vier Pupillen Licht hindurchtreten. Oft ist es zudem wünschenswert, dass die Verbindungslinie zwischen den Pupillen des einen Pupillenpaares beliebige Winkel mit der Verbindungslinie zwischen den Pupillen des anderen Pupillenpaares einschließen kann, insbesondere Winkel zwischen 10° und 90°, damit die beiden Beobachter in jeweils für sie optimaler Position zum Patienten einen chirurgischen Eingriff vornehmen können. Damit die Shutterfunktion mittels rotierender Blenden für alle Orientierungen der Pupillenpaare zueinander eine eindeutige Trennung der Stereokanäle ermöglichen kann, darf der Shutter lediglich ein kleines Winkelsegment << 90° zur Transmission freigeben, während das Licht des gesamten restlichen Winkelbereichs geblockt werden muss. Dadurch kann nur ein Bruchteil der theoretisch möglichen Integrationszeit pro Frame am Bildsensor genutzt werden, was wiederum zu Verlust an Bildhelligkeit führt. Insgesamt stellen rotierende Blenden somit keine lichteffiziente Lösung für die Kanalumschaltung zwischen mehreren zueinander verdrehten Pupillenpaaren dar.
Neben den mechanischen Shuttern sind aus dem Stand der Technik elektrooptische Shutter bekannt. Ein Beispiel dafür sind Flüssigkristallblenden, bei denen die optische Transmission für Licht eines vorgegebenen Polarisationszustandes mit hoher Frequenz und ohne bewegliche mechanische Komponenten schaltbar ist. Ist die Flüssigkristallblende so ausgelegt, dass Teilbereiche unabhängig voneinander transparent bzw. intransparent geschaltet werden können, so lassen sich gegenüber einer Lösung mit mechanischem Shutter leicht auch mehrere Pupillenpaare schalten, wie es im Fall von mehr als einem Beobachter erforderlich ist, ohne dass eine Reduzierung der theoretisch möglichen Integrationszeit pro Frame am Bildsensor erfolgt. Das Prinzip der Flüssigkristallblenden basiert darauf, dass eine an einer Flüssigkristallschicht anliegende elektrische Steuerspannung zu einer polaren bzw. chiralen Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle und daraus resultierend zu einer linearen bzw. zirkularen Doppelbrechung führt. Befindet sich eine derartige Flüssigkristallschicht im Strahlpfad zwischen einem Polarisator und einem dazu in Durchlass- bzw. Sperrrichtung orientierten Analysator, so bewirkt eine Erhöhung der Ansteuerspannung eine Verringerung bzw. Erhöhung der Transmission durch die gesamte Vorrichtung, so dass sich die Shutter-Wirkung elektronisch steuern lässt. Nachteilig an Flüssigkristallblenden ist aber, dass sie prinzipbedingt über den auf Durchlass geschalteten Stereokanal nur einen Bruchteil des Lichtstroms transmittieren können. Da Flüssigkristallblenden prinzipbedingt nur Licht eines Polarisationszustandes schalten können, die meisten Anwendungen jedoch unpolarisierte Lichtquellen verwenden, tritt typischerweise ein Lichtverlust von mindestens 50% auf. In der Regel ist der tatsächliche Lichtverlust sogar noch größer, da das Flüssigkristallmedium selbst nur eine begrenzte Transmission von typischerweise 70 bis 80% aufweist.
Um hohe Verluste durch Polarisation in Flüssigkristallblenden zu vermeiden, besteht die Möglichkeit, Flüssigkristallblenden auf Polymerbasis zu verwenden, wie sie bspw. in EP 0 590 984 A1 bekannt sind. Bei diesen sind Flüssigkristalle in einer festen Polymerstruktur dispergiert. Mittels eines elektrischen Feldes werden die Flüssigkristalle ausgerichtet, so dass sich Domänen zwischen fest ausgerichteten Polymeren bilden. Dadurch wird die Lichtstreuung erhöht, so dass die Blende intransparent wird. Durch Änderung der anliegenden elektrischen Spannung lässt sich die Blende zwischen einem transmittierenden und einem streuenden Zustand umschalten. Bei derartigen Flüssigkristallblenden lässt sich zwar der Verlust von mindestens der Hälfte des Lichtes vermeiden, jedoch beträgt die Transmission eines solchen Bauteils auch bestenfalls nur 80%. Zudem wird im intransparenten Zustand das Licht gestreut und nicht absorbiert, so dass Teile des gestreuten Lichts durch das optische System zum Bildempfänger gelangen können. Bei Verwendung von Flüssigkristallanzeigen auf Polymerbasis ist es daher nicht möglich, eine Trennung der Stereokanäle mit hohem Kontrast zu erzielen.
Gegenüber diesem Stand der Technik kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, ein vorteilhaftes optisches Beobachtungssystem mit wenigstens zwei optischen Übertragungskanälen wie etwa zwei Stereokanälen zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch ein optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßes optisches Beobachtungsgerät weist einen ersten optischen Übertragungskanal zum Übertragen eines ersten Teilstrahlenbündels und wenigstens einen zweiten optischen Übertragungskanal zum Übertragen eines zweiten Teilstrahlenbündels auf. Hierbei können die optischen Übertragungskanäle insbesondere zwei Stereokanäle realisieren, die jeweils ein stereoskopisches Teilstrahlenbündel übertragen. Das erfindungsgemäße optische Beobachtungsgerät umfasst eine Anzahl optischer Elemente, die entlang einer optischen Achse angeordnet sind. Dabei braucht die optische Achse nicht notwendigerweise streng linear zu verlaufen. Vielmehr kann eine gefaltete optische Achse vorhanden sein, also eine, bei der ein Teil gegenüber einem anderen Teil abgewinkelt ist. Dabei kann wenigstens ein Ablenkelement zum Ablenken der durch die optischen Elemente hindurchtretenden Strahlenbündel zum Einsatz kommen.
Die optischen Elemente des erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgeräts umfassen ein den optischen Übertragungskanälen gemeinsames Hauptobjektiv, das insbesondere kollimierend ausgebildet sein kann, also so, dass die aus einer Objektebene kommenden Strahlenbündel nach dem Durchtritt durch das Hauptobjektiv weitgehend parallel verlaufen, d. h. im Wesentlichen nach unendlich abgebildet werden. Aber auch nicht kollimierende Objektive können im Rahmen der Erfindung zum Einsatz kommen. Das Hauptobjektiv kann entweder ein Objektiv mit fixer Brennweite oder ein Objektiv mit variabler Brennweite sein. Objektive mit variabler Brennweite ermöglichen es, durch Verändern der Brennweite Objekte in Objektebenen mit unterschiedlichen Entfernungen zum Objektiv aufnehmen zu können und gleichzeitig bildseitig einen parallelen Strahlengang beizubehalten. Derartige Objektive mit variabler Brennweite werden auch Varioobjektive oder Varioskope genannt.
Weiterhin umfassen die optischen Komponenten des erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgerätes ein elektronisches Bildaufnahmesystem, das wenigstens aus einem Bildsensor zur zeitlich sequentiellen Aufnahme der von den optischen Übertragungskanälen übertragenen Teilstrahlenbündel besteht. Zwischen dem Hauptobjektiv und dem Bildsensor ist eine den optischen Übertragungskanälen gemeinsame Zwischenabbildungsoptik angeordnet. Zudem ist eine Kippspiegelmatrix mit einer Anzahl von kippbaren und hinsichtlich ihrer Kippposition ansteuerbaren Kippspiegelelementen vorhanden. Diese ist zwischen dem Hauptobjektiv und dem elektronischen Bildsensor in oder in der Nähe einer Bildebene der Zwischenabbildungsoptik angeordnet. Die Kippspiegelmatrix kann sich dabei insbesondere in einer Matrixebene senkrecht zur optischen Achse erstrecken. Jedes Kippspiegelelement weist eine erste Kippstellung und wenigstens eine zweite Kippstellung auf. Mit den Kippspiegelelementen in der ersten Kippstellung lenkt die Kippspiegelmatrix das erste Teilstrahlenbündel zumindest mittelbar, das heißt gegebenenfalls über optische Ablenkelemente, in Richtung auf den Bildsensor ab. Mit den Kippspiegelelementen in der zweiten Kippstellung lenkt die Kippspiegelmatrix dagegen das zweite Teilstrahlenbündel zumindest mittelbar in Richtung auf den Bildsensor ab. In dem erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgerät ist die Zwischenabbildungsoptik derart relativ zum Hauptobjektiv, zur Kippspiegelmatrix und zum Bildsensor angeordnet, dass das jeweilige in Richtung auf den Bildsensor abgelenkte Teilstrahlenbündel die Zwischenabbildungsoptik sowohl auf den Weg vom Hauptobjektiv zur Kippspiegelmatrix als auch auf dem Weg von der Kippspiegelmatrix zum Bildaufnahmesystem passiert. Insbesondere kann die Anordnung so sein, dass das Teilstrahlenbündel auf seinem Weg zur Kippspiegelmatrix die Zwischenabbildungsoptik in einem Randbereich bezogen auf die optische Achse passiert und auf seinem Weg zum Bildsensor einen zentralen Bereich der Zwischenabbildungsoptik bezogen auf die optische Achse passiert.
Die Erfindung ermöglicht es, ein optisches Beobachtungsgerät, insbesondere ein stereoskopisches Beobachtungsgerät, mit einer allen Teilstrahlengängen gemeinsamen Aufnahmeoptik und einem gemeinsamen Bildsensor bereitzustellen, bei dem die prinzipbedingten Lichtverluste minimiert sind, bei dem keine mechanischen Blenden oder Flüssigkristallblenden zur Kanalumschaltung erforderlich sind und bei dem keine doppelten optischen Komponenten nötig sind. Insbesondere kann das erfindungsgemäße optische Beobachtungsgerät vorteilhaft als Stereomikroskop ausgebildet sein, beispielsweise als ein für die Chirurgie ausgebildetes Videooperationsmikroskop, in dem sämtliche Teilstrahlengänge durch ein gemeinsames Hauptobjektiv hindurchtreten und in dem für sämtliche Teilstrahlengänge ein gemeinsamer Bildsensor Verwendung findet. Die mit Bezug auf den Stand der Technik beschriebenen Nachteile, die sich aus der Verwendung mechanischer Shutter oder Flüssigkristallshutter oder der Verwendung doppelt vorhandener optischer Komponenten ergeben, können im erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgerät somit vermieden werden.
Um Streulicht von denjenigen Teilstrahlenbündeln, die nicht in Richtung auf den Bildsensor abgelenkt werden, zu unterdrücken ist es vorteilhaft, wenn das optische Beobachtungsgerät wenigstens eine Lichtfalle umfasst, die so in Bezug auf die Kippspiegelmatrix angeordnet ist, dass das Licht des jeweils nicht in Richtung auf den Bildsensor abgelenkten Teilstrahlenbündels von der Kippspiegelmatrix in die Lichtfalle gelenkt wird. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das entsprechende Teilstrahlenbündel unmittelbar, das heißt auf geradem Weg in die Lichtfalle gelenkt wird, um Streulicht produzierende Reflektionen möglicht zu vermeiden. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn je eine eigene Lichtfalle pro optischem Übertragungskanal vorhanden ist, bei einem Stereomikroskop also zwei getrennte Lichtfallen für den linken und den rechten Stereokanal. Auf diese Art und Weise lässt sich für beide Kanäle erreichen, dass das jeweils nicht in Richtung auf den Bildsensor abgelenkte Teilstrahlenbündel ohne weitere Reflexion die Lichtfalle erreicht. Eine Lichtfalle, wie sie grundsätzlich Verwendung finden kann, ist beispielsweise in US 2010/0182681 A1 beschrieben. Hinsichtlich des Aufbaus einer für das erfindungsgemäße optische Beobachtungsgerät geeigneten Lichtfalle wird daher auf diese Veröffentlichung verwiesen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgerätes ist die Kippspiegelmatrix kurz vor oder kurz hinter der Bildebene der Zwischenabbildungsoptik angeordnet. Mit anderen Worten, die Zwischenabbildungsoptik ist in Bezug auf den Ort der Kippspiegelmatrix so ausgebildet, dass am Ort der Kippspiegelmatrix absichtlich kein scharfes Zwischenbild entsteht, sondern absichtlich ein leicht defokussiertes oder mit Abbildungsfehlern behaftetes Zwischenbild. Die genannte Maßnahme bietet den Vorteil, dass störende Helligkeitsvariationen in dem mit dem Bildsensor aufgenommenen Bild, die aufgrund von Aliasing-Effekten auftreten, minimiert sind. Aliasing-Effekte entstehen grundsätzlich aufgrund der Interferenz zweier periodischer Strukturen. Im erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgerät sind dies die periodische Struktur der Kippspiegelmatrix und die periodische Struktur des Bildsensors. Durch die Anordnung kurz vor oder hinter der Bildebene lassen sich diese störenden Interferenzen unterdrücken.
Eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit, Interferenzen – und damit Fehlabbildungen wie Moiré Effekte und das Aliasing – zu unterdrücken besteht darin, zwischen der Kippspiegelmatrix und der Zwischenabbildungsoptik einen optischen Tiefpassfilter anzuordnen. Als Tiefpassfilter kommen bspw. Filter aus doppelbrechenden Elementen in Betracht, etwa solche, wie sie etwa aus US 2004/0042078 A1 bekannt sind Die Kippspiegelmatrix kann zudem frei um die optische Achse drehbar angeordnet sein. Die Drehbarkeit ermöglicht es, Stereobilder für einen Hauptbeobachter und einen im festen Winkel zu diesem positionierten Mitbeobachter aufzunehmen, wobei eine Drehstellung für den Hauptbeobachter und eine für den Mitbeobachter vorhanden ist. Darüber hinaus ermöglicht es die Drehbarkeit, bei einem stereoskopischen optischen Beobachtungsgerät die Orientierung der Stereobasis, also die Orientierung der Verbindungslinie zwischen den Pupillen der Stereokanäle, beliebig einzustellen, wenn auch die die stereoskopischen Teilstrahlenbündel erzeugende Vorrichtung, etwa eine Doppelblende, synchron drehbar mit der Kippspiegelmatrix angeordnet ist. Außerdem ist es dabei vorteilhaft, wenn die von den Teilstrahlenbündeln bis zur Kippspiegelmatrix durchlaufenden optischen Komponenten bezüglich der Rotationsachse symmetrisch sind. Alternativ zur symmetrischen Ausgestaltung können diejenigen optischen Elemente, die diese Symmetrie nicht aufweisen, ebenfalls drehbar gelagert sein. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn so wenig drehbare Komponenten wie möglich vorhanden sind, um Vibrationen und Störgeräusche möglichst zu vermeiden. Das Einstellen der Stereobasis kann beispielsweise in Abhängigkeit vom Signal einer die Augenposition des Beobachters erfassenden Vorrichtung wie etwa einer Head-Tracking-Vorrichtung oder einer Eye-Tracking-Vorrichtung erfolgen, aus deren Messdaten die Stereobasis des Beobachters in Bezug auf das beobachtete Objektfeld berechnet werden kann. Verfahren und Vorrichtungen zum Ermitteln der Stereobasis sind aus dem Stand der Technik, bspw. aus DE 102 04 430 A1 , bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht weiter erläutert.
Um eine Einstellbarkeit der Orientierung der Stereobasis zu ermöglichen kann statt der drehbaren Kippspiegelmatrix auch eine Kippspiegelmatrix Verwendung finden, welche steuerbare Kippspiegelelemente aufweist, die eine Verkippung um eine in der Ebene der Kippspiegelmatrix verlaufende Kippachse ermöglichen, wobei die Orientierung der Kippachse innerhalb der Ebene einstellbar ist. Derartige Elemente weisen typischerweise zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Kippachsen auf und sind beispielsweise aus J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 8 (2006) Seiten 341–346 oder aus US 2010/0265555 A1 bekannt. Die Verwendung einer derartigen Kippspiegelmatrix bietet den Vorteil, dass auf eine mechanische Vorrichtung zur Drehung der kompletten Kippspiegelmatrix verzichtet werden kann. Der Kamerasensor kann in diesem Falle insbesondere quadratisch ausgebildet sein. Die Bilder werden dann entsprechend der Position des Beobachters in Bezug auf das Beobachtungsfeld in einer nachgeschalteten Bildverarbeitung ausgeschnitten und gedreht. Weiterhin ist es mit einer derartigen Kippspiegelmatrix besonders einfach, die freie Orientierung der Stereobasis von mehr als einem Beobachter zu realisieren, da die Orientierung der einzelnen Kippspiegelelemente rascher einzustellen ist, als die Orientierung der gesamten Kippspiegelmatrix durch Drehen der Kippspiegelmatrix. Es kann daher in besonders einfacher Weise zeitsequentiell das Licht aus 2n Pupillen (für n Stereobilder mit je zwei Pupillen) mit der Kippspiegelmatrix in Richtung auf den Bildsensor abgelenkt werden. Gegenüber rotierenden mechanischen Shuttern bietet diese Lösung zudem den weiteren Vorteil, dass sich die zu unterschiedlichen Stereobildern gehörenden Pupillenpaare überlagern können, ohne dass sich die Stereobilder der Beobachter gegenseitig beeinflussen.
Die drehbare Kippspiegelmatrix und insbesondere die Kippspiegelmatrix mit den Kippspiegelelementen, bei denen die Orientierung der Kippachse innerhalb der Matrixebene einstellbar ist, erlauben eine Weiterbildung des optischen Beobachtungsgerätes dahingehend, dass es wenigstens drei optische Übertragungskanäle mit Pupillen, die an den Ecken eines regelmäßigen Polyeders angeordnet sind, aufweist und das außerdem eine Ansteuerung zum Steuern der Kippspiegelmatrix umfasst. Die Steuerung zum Ansteuern der Kippspiegelmatrix steuert die Kippspiegelelemente und/oder die Rotationsstellung der Kippspiegelmatrix so, dass die Teilstrahlenbündel der wenigstens drei optischen Übertragungskanäle zeitlich sequentiell zumindest mittelbar in Richtung auf den Bildsensor abgelenkt werden. Insbesondere erlaubt es diese Ausgestaltung, ein optisches Beobachtungsgerät mit drei optischen Übertragungskanälen aufzubauen, in denen die Pupillen an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind, und die zu den Übertragungskanälen gehörenden Teilstrahlenbündel zeitsequentiell mittels der Kippspiegelmatrix in Richtung auf den Bildsensor abzulenken. Da die drei Pupillen nicht auf einer Gerade angeordnet sind, kann anhand der aus den drei Teilstrahlengängen gewonnenen Bildinformationen mittels Triangulation eine exakte Entfernungsbestimmung für jeden Objektpunkt vorgenommen werden. Es kann dann zunächst ein 3D-Datenmodell des Objektes errechnet werden, aus welchem dann wiederum ein Stereobildpaar zu der gewünschten Stereobasis ermittelt werden kann. Ein Verfahren, das zum Ermitteln der Stereobilder aus einem 3D-Datenmodell des Objektes geeignet ist, ist beispielsweise in US 2003/0151810 A1 beschrieben. Auf dieses Dokument wird daher hinsichtlich des Verfahrens zum Generieren der stereoskopischen Bilder auf der Basis eines 3D-Datenmodells des Objektes verwiesen. Das optische Beobachtungsgerät würde in dem darin beschriebenen System die Funktion einer Topographieaufnahmevorrichtung einnehmen. Alternativ lässt sich aus den drei Bildern auch ohne Berechnung eines 3D-Modells eine stereoskopische Zwischenperspektive ermitteln. Ein hierzu geeignetes Verfahren ist der DE 10 2008 024 732 A1 zu entnehmen, auf die hinsichtlich des Ermittelns der Zwischenperspektive verwiesen wird. Die beschriebene Weiterbildung des optischen Beobachtungsgerätes würde es beispielsweise auch ermöglichen, Filmsequenzen der dreidimensional aufgenommenen Bilder nachträglich durch Software so umzurechnen, dass sich für den Betrachter zum Zeitpunkt der Betrachtung der Bilder, also nicht lediglich zum Aufnahmezeitpunkt der Bilder, eine beliebig anpassbare Stereobasis ergibt.
Die Umschaltzeitpunkte der Kippspiegelmatrix sind mit dem wenigstens einen Bildsensor vorzugsweise derart synchronisiert, dass der komplette Umschaltvorgang jeweils in Zeitfenster fällt, in denen am Bildsensor keine Bildintegration stattfindet.
In dem erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgerät kann das Hauptobjektiv eine Austrittspupille umfassen, in der oder in deren Nähe eine Aperturblende mit die Pupillen der optischen Übertragungskanäle definierenden Aperturen angeordnet ist. Wie bereits zuvor erwähnt, kann eine derartige Blende drehbar angeordnet sein, um beispielsweise die Orientierung der Stereobasis bei stereoskopischer Beobachtung variieren zu können.
In dem erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgerät kann die optische Achse einen ersten optischen Achsenabschnitt und einen zweiten optischen Achsenabschnitt umfassen, wobei der erste optische Achsenabschnitt durch die optische Achse des Hauptobjektivs definiert ist und der zweite optische Achsenabschnitt durch die optische Achse des Bildsensors definiert ist. Der erste optische Achsenabschnitt und der zweite optische Achsenabschnitt schließen einen Winkel ein. Beobachterseitig des Hauptobjektivs ist dann zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Achsenabschnitt ein Ablenkelement vorhanden, das ein entlang des ersten optischen Achsenabschnitts verlaufendes Strahlenbündel in Richtung des zweiten optischen Achsenabschnitts ablenkt. Die Kippspiegelmatrix und die Zwischenabbildungsoptik sind dabei entlang desselben optischen Achsenabschnitts angeordnet. Das Ablenkelement kann als Spiegel, als Ablenkprisma, als optisches Gitter, als Hologramm, etc. ausgebildet sein. Insbesondere kann es als planoptisches Element, etwa als Planspiegel, ausgebildet sein. Das Ablenkelement kann in oder in der Nähe der Austrittspupille angeordnet sein. In der Nähe der Austrittspupille ist es insbesondere dann angeordnet, wenn in der Austrittspupille selbst eine andere optische Komponente angeordnet ist, etwa eine Bündel begrenzende Aperturblende oder eine die Teilstrahlengänge ausschneidende Blende.
Wenn das Ablenkelement zentrisch zwischen den optischen Übertragungskanälen angeordnet ist, im Falle von Stereokanälen also in der Mitte zwischen den beiden Pupillen, kann erreicht werden, dass es das Einstellen der Orientierung einer Stereobasis durch Drehen einer Blende sowie der Kippspiegelmatrix oder der Kippachsen der Kippspiegelelemente nicht beeinträchtigt.
Der erste optische Achsenabschnitt kann mit dem zweiten optischen Achsenabschnitt insbesondere einen Winkel von 90° einschließen. Es ist dabei insbesondere vorteilhaft, wenn der zweite optische Achsenabschnitt innerhalb der Meridionalebene oder der Sagittalebene eines entlang des ersten optischen Achsenabschnitts verlaufenden Teilstrahlenbündels verläuft. Abgewinkelte Anordnungen zwischen diesen beiden Ebenen sind aber auch möglich, in Allgemeinen jedoch weniger vorteilhaft.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgerätes ist die Zwischenabbildungsoptik derart ausgebildet, dass Abbildungsfehler, die beim Durchtritt des Teilstrahlenbündels durch die Zwischenbildoptik auf seinem Weg vom Hauptobjektiv zur Kippspiegelmatrix entstehen, beim Durchtritt des Teilstrahlenbündels durch die Zwischenbildoptik auf seinem Weg von der Kippspiegelmatrix zum Bildsensor wenigstens teilweise ausgeglichen werden. Insbesondere kann die Zwischenabbildungsoptik dabei so ausgebildet sein, dass die beim ersten Durchtritt des Teilstrahlenbündels durch die Zwischenabbildungsoptik entstehenden Abbildungsfehler vollständig beim zweiten Durchtritt, der in entgegengesetzter Richtung erfolgt, kompensiert werden. Das wenigstens teilweise Ausgleichen der Abbildungsfehler wird erleichtert, wenn die Zwischenabbildungsoptik wenigstens eine asphärische Linsenfläche umfasst, die in einem Teil des Strahlengangs angeordnet ist, in dem die vom Teilstrahlenbündel auf seinem Weg vom Hauptobjektiv zur Kippspiegelmatrix passierten Linsenabschnitte nur wenig oder im Idealfall keinen Überlapp mit den vom selben Teilstrahlenbündel auf seinem Weg von der Kippspiegelmatrix zum Bildsensor passierten Linsenabschnitten aufweisen. Unter wenig Überlapp soll hierbei ein Überlapp von weniger als 50% zu verstehen sein, insbesondere ein Überlapp von nicht mehr als 15%.
In dem erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgerät kann zwischen der Zwischenabbildungsoptik und dem Bildsensor ein Kameraadapter mit einer Kameraadapteroptik angeordnet sein. Falls nach dem doppelten Durchtritt eines Teilstrahlenbündels durch die Zwischenabbildungsoptik in dem in Richtung auf den Bildsensor abgelenkten Teilstrahlenbündel noch Abbildungsfehler vorhanden sind, kann die Kameraadapteroptik so ausgebildet sein, dass sie die noch verbleibenden Abbildungsfehler wenigstens teilweise und im Idealfall vollständig kompensiert. Insbesondere können verbleibende Bildfehler der Zwischenabbildungsoptik, die eine gerade Abhängigkeit von einer radialen Bildfeldkoordinate aufweisen, beispielsweise sphärische Aberration, Bildfeldwölbung, Farblängsfehler etc., in der Kameraoptik kompensiert werden, indem die Kameraoptik für diese entsprechenden Bildfehler nicht auf einen Sollwert Null korrigiert ist, sondern auf den negativen Wert des entsprechenden Bildfehlers, der beim zweimaligen Durchtritt durch die Zwischenabbildungsoptik entsteht.
Die Kameraadapteroptik kann komplett hinter dem Ablenkelement angeordnet sein. Alternativ kann das Ablenkelement aber auch Teil der Kameraadapteroptik sein. In diesem Fall ist die Kameraadapteroptik so ausgebildet, dass sich eine oder mehrere Linsen zwischen dem Ablenkelement und der Kippspiegelmatrix befinden, wohingegen sich die restlichen Elemente zwischen dem Bildsensor und dem Ablenkelement befinden. Auf diese Weise kann die Baulänge das Kameraadapters reduziert werden. Die Kameraadapteroptik kann insbesondere als Zoomsystem ausgebildet sein. In diesem Fall ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Kameraadapteroptik eine ortsfeste Eintrittspupillenebene am Ort des Ablenkelements aufweist.
Das optische Beobachtungsgerät kann als Bildsensor einen Farbsensor aufweisen, dem das von der Kippspiegelmatrix abgelenkte Teilstrahlenbündel zugeführt wird. Alternativ können aber auch wenigstens drei monochrome Bildsensoren und ein Farbteiler zum Aufteilen des Teilstrahlenbündels in wenigstens drei Farbkanäle, das heißt in wenigstens drei Spektralbereiche, vorhanden sein. Die monochromen Bildsensoren sind dabei in Bezug auf den Farbteiler so angeordnet, dass jedem Bildsensor ein Farbkanal des Teilstrahlenbündels zugeführt wird. Derartige Konstruktionen sind bspw. als 3CCD-Kameras bekannt. Sie bieten gegenüber Systemen mit einem für alle Farben gemeinsamen Bildsensor eine höhere Auflösung und eine bessere Bildqualität. Als Farbteiler kann beispielsweise ein sogenanntes Philips-Prisma oder ein Strahlteilerwürfel (X-Cube) zur Anwendung kommen.
In Systemen mit drei monochromen Bildsensoren können die Teilstrahlenbündel der einzelnen optischen Übertragungskanäle unter unterschiedlichen Winkeln auf den Farbteiler auftreffen. Die Winkelabhängigkeit der im Farbteiler typischerweise vorhandenen dichroitischen Schichten kann dann für die einzelnen optischen Übertragungskanäle zu einer Verschiebung der auf die jeweiligen Sensorflächen fallenden Wellenlängenbereiche führen. Dies kann zur Folge haben, dass die Farbempfindlichkeit in Bezug auf die verschiedenen Teilstrahlenbündel der optischen Übertragungskanäle unterschiedlich ist, was insbesondere bei Operationsmikroskopen unerwünscht ist, da eine genaue Farbaufnahme für den Chirurgen in Hinblick auf eine Differenzierung von Gewebe von großer Bedeutung ist. Um die Unterschiede in der Farbempfindlichkeit möglichst gering zu halten, ist die Kameraadapteroptik des optischen Beobachtungsgerätes daher vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass von verschiedenen Objektfeldpunkten ausgehende Strahlenbündel nach dem Durchtritt durch die Kameraadapteroptik Hauptstrahlen aufweisen, die einen Winkel von nicht mehr als 20° mit der optischen Achse bilden, vorzugsweise einen Winkel von nicht mehr als 15°. Im Idealfall bilden sie einen näherungsweise telezentrischen Strahlengang, also einen Strahlengang, in dem die Hauptstrahlen näherungsweise parallel verlaufen. Dadurch wird erreicht, dass die Teilstrahlenbündel von verschiedenen Objektfeldpunkten unter annähernd gleichen Winkeln auf den Farbteiler antreffen, wodurch die Verschiebung der auf die jeweiligen Sensorflächen auftreffenden Wellenlängenbereiche für die unterschiedlichen optischen Übertragungskanäle minimiert werden kann. Mit anderen Worten, es wird erreicht, dass das spektrale Teilerverhältnis für alle Feldpunkte annähernd konstant bleibt.
Als Bildsensoren kommen beim erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgerät insbesondere CCD-Sensoren und CMOS-Sensoren in Frage.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
1 zeigt die optischen Komponenten eines als Operationsmikroskop ausgebildeten erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgeräts
2 zeigt den Teilstrahlengang des ersten Stereokanals durch die optischen Komponenten aus 1 in einer Schnittansicht.
3 zeigt den Teilstrahlengang des zweiten Stereokanals durch die optischen Komponenten aus 1 in einer Schnittansicht.
4 zeigt die Aperturblende und die Kippspiegelmatrix im Operationsmikroskop aus 1 in einer stark schematisierten Darstellung entlang der optischen Achse.
5 zeigt eine Abwandlung des Operationsmikroskops aus 1.
6 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Aperturblende, wie sie in einer Abwandlung des Operationsmikroskops aus 1 oder 5 Verwendung finden kann.
Als ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes optisches Beobachtungsgerät wird nachfolgend mit Bezug auf die 1 bis 4 ein digitales Operationsmikroskop beschrieben. In den Figuren sind lediglich die optischen Komponenten des Operationsmikroskops sowie die Teilstrahlengänge (in den 2 und 3) dargestellt, um die Figuren nicht unnötig zu verkomplizieren. Dabei zeigt 1 eine perspektivische Darstellung der Komponenten. Die 2 und 3 zeigen die stereoskopischen Teilstrahlengänge in einer Schnittansicht.
Das gemäß der Erfindung ausgebildete Operationsmikroskop umfasst ein Hauptobjektiv 1, eine Aperturblende 2, eine Zwischenabbildungsoptik 3 und eine Kippspiegelmatrix 5, die entlang eines ersten optischen Achsenabschnitts OA1 von objektseitig nach beobachterseitig hintereinander angeordnet sind. Weiterhin umfasst das Operationsmikroskop eine Kameraadapteroptik 6 und einen elektronischen Bildsensor 7, die entlang eines zweiten optischen Achsenabschnitts OA2 von objektseitig nach beobachterseitig hintereinander angeordnet sind. Der erst optische Achsenabschnitt OA1 und der zweite optische Achsenabschnitt OA2 bilden zusammen eine gefaltete optische Achse des Beobachtungsgeräts und schneiden sich in einem Schnittpunkt S unter einem Winkel von 90°. Im Schnittpunkt S ist ein Ablenkelement 8 angeordnet, welches ein von der Kippspiegelmatrix ausgehendes, durch die Zwischenabbildungsoptik 3 hindurchtretendes Strahlenbündel in Richtung den zweiten optischen Achsenabschnitt OA2 ablenkt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Hauptobjektiv 1 als Objektiv mit variabler Brennweite ausgebildet. Derartige Objektive werden auch Varioobjektive oder Varioskope genannt und können beispielsweise eine objektseitige Linsengruppe und eine beobachterseitig Linsengruppe umfassen, wobei die beobachterseitige Linsengruppe entlang der optischen Achse verschiebbar angeordnet ist. Das Varioskop des Ausführungsbeispiels umfasst eine erste Linsenkombination 11 und eine zweite Linsenkombination 12, die entlang der Optischen Achse verschiebbar zueinander angeordnet sind. Durch Verschieben der beobachterseitigen Linsengruppe kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Arbeitsabstand des Operationsmikroskops vom Objekt, also der Abstand der Fokusebene des Hauptobjektivs 1 von der ersten Linsenfläche des Hauptobjektivs 1, variiert werden.
Obwohl das Hauptobjektiv 1 im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Varioskop ausgebildet ist, ist es auch möglich, das erfindungsgemäße optische Beobachtungsgerät mit einem Hauptobjektiv auszustatten, das eine feste Brennweite besitzt. Auch ein festbrennweitiges Objektiv kann dabei zwei Linsengruppen aufweisen, die mit Abstand voneinander entlang der Optischen Achse angeordnet sind. Allerdings ist es auch möglich, statt eines festbrennweitigen Hauptobjektivs mit zwei Linsengruppen ein festbrennweitiges Hauptobjektiv zu verwenden, das weniger Linsen aufweist. Hauptobjektive mit mehreren Linsen sind jedoch vorteilhaft, da sich dadurch Abbildungsfehler hinter den Hauptobjektiv vermindern lassen.
Die Brennweite des Hauptobjektivs beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 336,88 mm. Alle optischen Flächen des Hauptobjektivs sind rotationssymmetrisch in Bezug auf den ersten optischen Achsenabschnitt OA1 ausgebildet.
Das Hauptobjektiv 1 kollimiert die objektseitigen Strahlenbündel, das heißt es bildet sie im Wesentlichen nach unendlich ab und weist dabei eine reelle, mechanisch zugängliche Austrittspupille in einer vorbestimmten Ebene zwischen dem Hauptobjektiv 1 und der Zwischenabbildungsoptik 3 auf. In dieser Austrittspupillenebene ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Mittelpunkt des Ablenkelements 8 angeordnet. Unmittelbar benachbart zum Ablenkelement 8, also auch in unmittelbarer Nähe zur Austrittspupillenebene, befindet sich die Aperturblende 2, die zwei Blendenöffnungen 4A und 4B aufweist, welche die Pupillen der beiden Stereokanäle des Operationsmikroskops aus dem Gesamtstrahlengang ausschneiden. Während objektseitig der Blende 2 also ein Strahlengang vorliegt, der die Linsenelemente in zumindest dem größten Teil ihrer gesamten Querschnittsfläche zentriert zum ersten optischen Achsenabschnitt OA1 durchsetzt, liegen bildseitig der Aperturblende 2 zwei Teilstrahlenbündel vor, die jeweils nur einen Teil der Querschnittsflächen der optischen Elemente durchsetzen. Die Aperturblende 2 kann fix angeordnet sein oder um die optische Achse herum drehbar, was es ermöglicht, die Stereobasis der stereoskopischen Beobachtung beliebig einzustellen, wie später noch näher erläutert werden wird.
Die Zwischenabbildungsoptik 3 weist vier Linsen auf, wobei eine Linse als Kittglied ausgebildet ist. Insgesamt ist die Zwischenabbildungsoptik als sammelnde Optik mit einer Brennweite ausgebildet, die um eine Größenordnung geringer ist, als die Brennweite des Hauptobjektivs und typischerweise im Bereich zwischen 0,5% und 10% der Brennweite des Hauptobjektivs 1 liegt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Brennweite der Zwischenabbildungsoptik 24,57 mm. Die Zwischenabbildungsoptik erzeugt aus einem von der Aperturblende 2 kommenden Teilstrahlenbündel ein Zwischenbild im Bereich der Kippspiegelmatrix 5. Wie das Hauptobjektiv 1 weist die Zwischenabbildungsoptik 3 im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Hinblick auf das Korrigieren von Abbildungsfehlern eine Mehrzahl von Linsen auf. So sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Linsen vorhanden, von denen eine als Kittglied ausgebildet ist. Wenigstens eine der Linsenflächen in der Zwischenabbildungsoptik ist dabei vorteilhafterweise asphärisch ausgebildet.
Im Bereich des von der Zwischenabbildungsoptik 3 generierten Zwischenbildes ist die Kippspiegelmatrix 5 angeordnet. Vorteilhafterweise ist die Kippspiegelmatrix 5 dabei so angeordnet bzw. ist die Zwischenabbildungsoptik 3 so ausgebildet, dass am Ort der Kippspiegelmatrix 5 kein scharfes Zwischenbild entsteht, sondern absichtlich ein leicht defokussiertes oder mit Abbildungsfehlern behaftetes Zwischenbild erzeugt wird. Dadurch lassen sich Interferenzeffekte, die durch die periodischen Strukturen der Kippspiegelmatrix 5 und des Bildsensors 7 bedingt sind, minimieren.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Kippspiegelmatrix 5 als eine Anordnung von Mikrospiegeln ausgebildet, die um eine gemeinsame Achse zwischen zwei Schaltzuständen bistabil um einen Auslenkwinkel hin und her geschaltet werden können. Derartige Standardkomponenten werden unter der Handelsbezeichnung ”DMD” (Digital Micromirror Device) in verschiedenen Ausführungsformen kommerziell vertrieben.
In der einen Kippstellung der Kippspiegelelemente reflektiert die Kippspiegelmatrix das Teilstrahlenbündel 9A des durch die Blendenöffnung 4A der Aperturblende definierten Stereokanals zurück in die Zwischenabbildungsoptik 3 (vgl. 2), wohingegen die Kippspiegelmatrix mit den Kippspiegelelementen in der zweiten Stellung das Teilstrahlenbündel 9B des durch die zweite Blendenöffnung 4B der Aperturblende 2 definierten Stereokanals in die Zwischenabbildungsoptik 3 zurückreflektiert. Das Teilstrahlenbündel des jeweils anderen Stereokanals wird dagegen nicht in die Zwischenabbildungsoptik 3 zurückreflektiert, sondern in einen Bereich mit hoher Absorption, der insbesondere als eine Lichtfalle 10A, 10B ausgebildet sein kann, etwa als Lichtfalle, wie sie beispielsweise in US 2010/0182681 A1 beschrieben ist. Für jeden Stereokanal ist dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine eigene Lichtfalle vorgesehen. Die Lichtfallen 10A, 10B sind in 1 lediglich schematisch dargestellt. Wenn, wie in 2 gezeigt, das Teilstrahlenbündel 9A in die Zwischenabbildungsoptik 3 zurückreflektiert wird, wird das Teilstrahlenbündel 9B (das in 2 nicht dargestellt ist) in die Lichtfalle 10B geleitet. Entsprechend wird das Teilstrahlenbündel 9A in die Lichtfalle 10A geleitet, wenn das Teilstrahlenbündel 9B von der Kippspiegelmatrix in die Zwischenabbildungsoptik 3 zurückreflektiert wird.
Das zwischen der Aperturblende 2 und der Zwischenabbildungsoptik 3 angeordnete Ablenkelement 8 dient zur Faltung der optischen Achse und ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Spiegelfläche ausgebildet. Alternativ kann es jedoch auch als Prismenfläche, als optisches Gitter, als Hologramm, etc. ausgebildet sein. Die Spiegelflächennormale schließt im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dem ersten optischen Teilachsenabschnitt OA1 einen Winkel von 45° ein, so dass eine Faltung der optischen Achse um 90° erfolgt. Wie bereits erwähnt, ist das Ablenkelement 8 in der Austrittspupille des Hauptobjektivs 1 angeordnet.
Die dem Ablenkelement in Richtung auf den Bildsensor 7 nachgeordnete Kameraadapteroptik 6 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als afokales Zoomsystem ausgebildet. Als solches umfasst es im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Linsen bzw. Linsengruppen 61, 62, 63, von denen die den Bildsensor 7 zugewandte Linse 63 feststehend angeordnet ist und die beiden Linsen bzw. Linsengruppen 61 und 62 entlang des zweiten optischen Achsenabschnitts OA2 verschiebbar angeordnet sind. Bevorzugt weist die Zoomoptik eine am Ort des Ablenkelements 8 angeordnete oder, falls dies nicht möglich ist, in dessen Nähe angeordnete ortsfeste Eintrittspupillenebene auf. Im Unterschied zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Ablenkelement in die Kameraadapteroptik 6 integriert sein. In diesem Fall könnte bspw. die objektseitige Linse 61 der Kameraadapteroptik 6 zwischen dem Ablenkelement 8 und der Zwischenabbildungsoptik angeordnet sein.
Der Bildsensor 7 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein 2/3 Zoll CCD-Sensor, dem eine Glasplatte mit planparallelen Flächen unmittelbar vorgelagert ist. Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein einzelner Bildsensor Verwendung findet besteht auch die Möglichkeit, einen sogenannten 3-CCD-Sensor zu verwenden. In einem solchen Sensor ist ein Farbteiler vorhanden, der ein Strahlenbündel in drei Strahlenbündel mit unterschiedlichen Spektralbereichen aufspaltet. Diese drei Strahlenbündel werden dann drei unterschiedlichen CCD-Sensoren zugeführt. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, mehr als drei CCD-Sensoren zu verwenden, wobei dann ein Farbteiler Verwendung findet, der das Strahlenbündel in eine entsprechende Anzahl von Teilstrahlenbündeln mit unterschiedlichen Spektralbereichen aufspaltet. Statt eines CCD-Sensors bzw. mehrerer CCD-Sensoren können auch ein CMOS-Sensor bzw. mehrere CMOS-Sensoren zum Einsatz kommen. Diese ermöglichen gegenüber CCD-Sensoren insbesondere höhere Bildraten und eine höhere Flexibilität beim Auslesen. Insbesondere ermöglicht ein CMOS-Sensor zudem einen größeren Dynamikumfang.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des in 1 dargestellten optischen Beobachtungsgerätes sind die optischen Eigenschaften des Hauptobjektivs 1 und der Zwischenabbildungsoptik 3 so aufeinander abgestimmt, dass die Austrittspupillenebene des Hauptobjektivs 1 und die Eintrittspupille der Zwischenabbildungsoptik 3 sowie die Austrittspupille der Zwischenabbildungsoptik 3 in derselben Ebene liegen. In oder in möglichst großer Nähe zu dieser Ebene sind vorteilhafterweise außerdem die Aperturblende 2 sowie das Ablenkelement 8 angeordnet. Weiterhin sind die optischen Eigenschaften der Kameraadapteroptik 6 vorteilhafterweise so ausgebildet, dass ihre Eintrittspupille mit der Austrittspupille der Zwischenabbildungsoptik 3 zusammenfällt (unter Zuhilfenahme des Ablenkelements). Durch die genannte Anordnung der Pupillenebenen sowie der Aperturblende 2 und des Ablenkelements 8 in einer gemeinsamen Ebene oder nahe benachbart zu dieser Ebene können die Durchmesser aller Teilsysteme minimiert werden, so dass sich eine besonders kompakte Gesamtanordnung ergibt.
Die Funktionsweise des in 1 dargestellten Operationsmikroskops wird nachfolgend mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben. 2 zeigt den Verlauf des Teilstrahlenbündels 9A des ersten Stereokanals von der Objektebene O in den Bildsensor 7 in einer Schnittansicht in der durch die beiden optischen Achsenabschnitte OA1 und OA2 aufgespannten Ebene, 3 den Verlauf des Teilstrahlenbündels 9B des zweiten Stereokanals von der Objektebene O zum Bildsensor 7. In den Schnittansichten sind die von drei Objektpunkten ausgehenden Strahlenbündel jeweils mit Hauptstrahl und Randstrahlen dargestellt. Die beiden äußeren Strahlenbündel stellen die Begrenzung des abbildbaren Objektfeldes dar, das mittlere Strahlenbündel dessen Mittelpunkt. Der Übersichtlichkeit halber ist in beiden Figuren dasjenige Teilstrahlenbündel, welches jeweils in die Lichtfalle abgelenkt wird, nicht dargestellt. Ebenso sind auch alle Teile des das Hauptobjektiv 1 durchsetzenden Strahlenbündels, die nicht durch die Blendenöffnung der Aperturblende 2 hindurchtreten, der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
2 zeigt den Verlauf des Teilstrahlenbündels 9A des ersten Stereokanals zum Bildsensor 7. Der erste Stereokanal ist dabei durch die Blendenöffnung 4A der Aperturblende 2 definiert. Nachdem das Teilstrahlenbündel 9A mittels der Aperturblendenöffnung 4A definiert ist, tritt es azentrisch in Bezug auf den ersten optischen Achsenabschnitt OA1 durch die Zwischenabbildungsoptik 3 hindurch und wird von dieser leicht defokussiert auf die Kippspiegelmatrix 5 abgebildet. In 2 befinden sich die Kippspiegelelemente 51 (vgl. 4) der Kippspiegelmatrix 5 in einem ersten Schaltzustand, in dem sie das Teilstrahlenbündel 9A in die Zwischenabbildungsoptik 3 zurückreflektieren. Dabei verläuft das zurückreflektierte Teilstrahlenbündel weitgehend zentrisch, vorteilhafterweise vollständig zentrisch, zum ersten optischen Achsenabschnitt OA1. Das in 2 nicht dargestellte, durch die Aperturblendenöffnung 4B definierte Teilstrahlenbündel des zweiten Stereokanals wird in dieser Kippstellung der Kippspiegelelemente 51 von der Kippspiegelmatrix 5 in die Lichtfalle 10B (vgl. 1) reflektiert.
Das in die Zwischenabbildungsoptik 3 zurückreflektierte Teilstrahlenbündel 9A des ersten Stereokanals durchläuft die Zwischenabbildungsoptik 3 weitgehend zentrisch, vorteilhafterweise vollständig zentrisch zum ersten optischen Achsenabschnitt OA1. Bei seinem ersten Durchtritt durch die Zwischenabbildungsoptik 3, das heißt bei seinem Durchtritt in Richtung auf die Kippspiegelmatrix 5, war der Verlauf dieses Teilstrahlenbündels dagegen azentrisch. Die Azentrizität bei diesem Durchgang ist dabei durch die Azentrizität der Aperturblendenöffnung 4A vorgegeben. Dadurch, dass bei den beiden Durchtritten durch die Zwischenabbildungsoptik 3 unterschiedliche Bereiche der optischen Flächen passiert werden, besteht die Möglichkeit, die Zwischenabbildungsoptik 3 so auszugestalten, dass sich Abbildungsfehler, die beim ersten Durchtritt des Teilstrahlenbündels 9A entstehen und Abbildungsfehler, die beim zweiten Durchtritt entstehen, gegenseitig ganz oder wenigstens teilweise kompensieren. Zu diesem Zweck weist die Zwischenabbildungsoptik des Ausführungsbeispiels wenigstens eine asphärische Linsenfläche 31 auf, die in einem Bereich des Strahlengangs angeordnet ist, in dem das Teilstrahlenbündel 9A vor der Reflexion an der Kippspiegelmatrix 5 und das Teilstrahlenbündel 9A nach der Reflexion an der Kippspiegelmatrix 5 keinen oder nur wenig Überlapp aufweisen. Diese Bedingung ist insbesondere in der Nähe der Ebene erfüllt, in der sich die Austrittspupille des Hauptobjektivs und die Aperturblende befinden. Entsprechend weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die der Aperturblende 2 zugewandte Linse die asphärische Linsenfläche 31 auf. Quantitativ kann die Bedingung auch in der folgenden Form dargestellt werden: Sei HH der Achsenabstand des Schnittpunkts des Hauptstrahls eines maximal von der Bildmitte entfernten Objektpunkts mit einer beliebigen Ebene und sei HR der Achsenabstand des Schnittpunktes eines von einem axialen Objektpunkt (in der Bildmitte) ausgehenden Randstrahls mit dieser Ebene, dann kann die Stellung der asphärischen Fläche im Strahlengang dadurch gekennzeichnet werden, dass das Verhältnis HH zu HR ≥ 2, vorzugsweise ≥ 3 und besonders bevorzugt ≥ 5 ist.
Weil gemäß dem Brechungsgesetz alle Lichtwege umkehrbar sein müssen, würden sich zwar in der Zwischenabbildungsoptik beim doppelten Durchtritt des Strahlenbündels 9A alle Bildfehleranteile, die eine antisymmetrische Abhängigkeit von der Bildfeldkoordinate aufweisen, beispielsweise Komafehler, Verzeichnungsfehler und chromatische Vergrößerungsdifferenzen exakt kompensieren. Diese Selbstkompensation wird jedoch einerseits durch Brechung der Symmetrie aufgrund der Ablenkung des Teilstrahlenbündels 9A an der Kippspiegelmatrix 5 und andererseits durch die Anordnung der Kippspiegelmatrix 5 nicht exakt am Ort des Zwischenbildes gestört. Der Einsatz wenigstens einer asphärischen Linsenfläche ermöglicht in diesem Fall aber dennoch eine weitgehende Selbstkompensation wenigstens für monochromatische Bildfehler.
Nach der Reflexion an der Kippspiegelmatrix 5 und dem Durchtritt durch die Zwischenabbildungsoptik 3 wird das Teilstrahlenbündel 9A vom Ablenkelement 8 weitgehend zentrisch, vorteilhafterweise vollständig zentrisch zum zweiten optischen Achsenabschnitt OA2 in die Kameraadapteroptik 6 hinein abgelenkt. Nach dem Durchtritt durch die Kameraadapteroptik 6 trifft das Teilstrahlenbündel dann auf den Bildsensor 7 auf.
Wenn sich die Kippspiegelelemente 51 der Kippspiegelmatrix 5 dagegen in der zweiten Kippstellung befinden, so wird das Teilstrahlenbündel 9B des von der Aperturblendenöffnung 4B definierten Stereokanals nach einen azentrischen ersten Durchtritt durch die Zwischenabbildungsoptik 5 von der Kippspiegelmatrix 5 in Richtung auf das Ablenkelement 8 reflektiert, wobei es weitgehend zentrisch, vorteilhafterweise vollständig zentrisch zum optischen Achsenabschnitt OA1 erneut durch die Zwischenabbildungsoptik 3 hindurch tritt. Vom Ablenkelement 8 wird es dann weitgehend zentrisch, vorteilhafterweise vollständig zentrisch zum optischen Achsenabschnitt OA2 in Richtung auf den Bildsensor 7 abgelenkt. Das in 3 nicht dargestellte Teilstrahlenbündel 9A des anderen Stereokanals wird mit den Kippspiegelelementen der Kippspiegelmatrix 5 in der zweiten Kippstellung dagegen in die Lichtfalle 10A (vgl. 1) abgelenkt.
Wie aus den 2 und 3 ersichtlich ist, ermöglicht die Tatsache, dass die Kippspiegelmatrix 5 ein azentrisch durch die Zwischenabbildungsoptik 3 hindurchgetretenes Teilstrahlenbündel 9A, 9B weitgehend zentrisch durch die Zwischenabbildungsoptik 3 zurückreflektiert, die Teilstrahlenbündel 9A, 9B beider Stereokanäle im Wechsel durch dieselbe Kameraadapteroptik 6 auf denselben Bildsensor 7 zu lenken. Auf diese Weise ist es mit dem optischen Beobachtungsgerät möglich, für beide stereoskopischen Teilstrahlengänge eine gemeinsame Aufnahmeoptik und einem gemeinsamen Bildempfänger vorzusehen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die von der Kippspiegelmatrix 5 in die Zwischenabbildungsoptik 3 zurückreflektierten Strahlenbündel vollständig zentrisch verlaufen, da dann die Querschnittsfläche der nachfolgend angeordneten optischen Elemente optimal ausgenutzt werden kann.
Im Unterschied zu den im Stand der Technik bekannten Lösungen können im erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgerät prinzipbedingte Lichtverluste minimiert werden, da keine Schaltung von Flüssigkristallblenden nötig ist. Im Vergleich zu Lösungen, in denen mechanische Shutter wie etwa rotierende Shutter Verwendung finden, bietet das erfindungsgemäße optische Beobachtungsgerät den Vorteil, dass die Umschaltfrequenz abrupt geändert werden kann, da keine großen trägen Massen, wie sie beispielsweise ein rotierender Shutter darstellen würde, nötig sind. Zudem führen die geringen Massen der bewegten Teile (Kippspiegelelemente) kaum zu störenden Schwingungen.
In einer Weiterbildung des mit Bezug auf 1 bis 4 beschriebenen Operationsmikroskops sind sowohl die Aperturblende 2 als auch die Kippspiegelmatrix 5 nicht fix sondern um den ersten optischen Achsenabschnitt OA1 drehbar angeordnet, wie in 4 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Durch synchrones Drehen der Aperturblende 2 und der Kippspiegelmatrix 5 lässt sich die Lage des von der Kippspiegelmatrix 5 in die Zwischenabbildungsoptik 3 zurückreflektierten Teilstrahlenbündels bei seinem ersten Durchgang durch die Zwischenabbildungsoptik 3 um den ersten optischen Achsenabschnitt OA1 herum drehen, wodurch die Orientierung der Stereobasis des Betrachters gedreht werden kann. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Stereobasis in Abhängigkeit von der Augenposition des Betrachters einzustellen. Die Augenposition des Beobachters kann dabei beispielsweise mittels eines Head-Trackers oder eines Eye-Trackers ermittelt werden, welche die Daten über die Stereobasis des Beobachters in Bezug auf das beobachtete Objektfeld liefern. Diese Daten werden dann an eine Steuereinheit des Operationsmikroskops weitergegeben, welche ein Stellsignal ermittelt und an die Aperturblende 2 sowie die Kippspiegelmatrix 5 ausgibt. Das Stellsignal enthält die Information über die Winkelstellung der beiden Elemente in Bezug auf eine zuvor definierte Nullstellung. Wenn dabei die Einstellgeschwindigkeit für die Aperturblende 2 und die Kippspiegelmatrix 5 hoch genug ist, können so auch Stereobilder für einen Hauptbeobachter und einen Mitbeobachter, dessen Stereobasis einen beliebigen Winkel zur Stereobasis des Hauptbeobachters einschließt, im Wechsel aufgenommen werden. Grundsätzlich können dabei auch mehr als zwei Beobachter Berücksichtigung finden, sofern die Frequenz, mit der zwischen den Stereobasen mit verschiedener Orientierung hin und her geschaltet werden kann, hoch genug ist.
Auf die Drehbarkeit der Kippspiegelmatrix 5 kann jedoch verzichtet werden, wenn eine Kippspiegelmatrix Verwendung findet, in der die Kippspiegelelemente 51 um zwei nicht parallele Achsen, vorzugsweise um zwei zueinander senkrechte Achsen, in unabhängiger Weise gekippt werden können. Eine derartige Kippspiegelmatrix ist beispielsweise in US 2010/026555 A1 beschrieben. Die Verwendung einer solchen Kippspiegelmatrix ermöglicht es, die Reflexionsrichtung der Kippspiegelelemente auf einer Kegelfläche um die optische Achse beliebig einzustellen. Auf diese Weise kann eine Rotation der Reflexionsrichtung um den ersten optischen Achsenabschnitt OA1 synchron mit der Drehstellung der Aperturblende 2 erzielt werden, ohne dass dafür die Kippspiegelmatrix als Ganzes gedreht zu werden braucht.
Eine Abwandlung des mit Bezug auf die 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsbeispiels ist in 5 dargestellt. Die Figur zeigt die optischen Komponenten eines Operationsmikroskops, wobei das Hauptobjektiv 1, die Aperturblende 2, die Zwischenabbildungsoptik 3, die Kippspiegelmatrix 5, die Kameraadapteroptik 6 sowie der Bildsensor 7 analog zu den entsprechenden Komponenten aus den 1 bis 4 ausgebildet sind. Unterschiedlich ist jedoch die relative Anordnung der Komponenten zueinander. Während im ersten Ausführungsbeispiel das Hauptobjektiv 1, die Aperturblende 2, die Zwischenabbildungsoptik 3 und die Kippspiegelmatrix 5 linear entlang des ersten optischen Achsenabschnitts OA1 angeordnet sind, sind in der Abwandlung die Zwischenabbildungsoptik 3 und die Kippspiegelmatrix 5 nicht entlang des ersten optischen Achsenabschnitts OA1 angeordnet.
Stattdessen sind die Zwischenabbildungsoptik 3 und die Kippspiegelmatrix 5 zusammen mit der Kameraadapteroptik 6 und dem Bildsensor 7 linear entlang des zweiten optischen Achsenabschnitts OA2 angeordnet. Wie in dem mit Bezug auf die 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel schneiden sich die optischen Achsenabschnitte OA1 und OA2 auch in der in 5 dargestellten Ausführungsvariante rechtwinklig im Schnittpunkt S.
Die geänderte Anordnung der Zwischenabbildungsoptik 3 und der Kippspiegelmatrix 5 spiegeln sich in der vorliegenden Ausführungsvariante auch in der Ausgestaltung des Ablenkelements 18 wieder. Dieses folgt entlang der optischen Achse OA1 beobachterseitig auf die Aperturblende 2 und ist mit seiner reflektierenden Fläche im Winkel von 45° derart relativ zum ersten optischen Achsenabschnitt OA1 angeordnet, so dass ein stereoskopisches Teilstrahlenbündel (in 5 ist lediglich eines der beiden Teilstrahlenbündel dargestellt, nämlich dasjenige, welches den Bildsensor 7 erreicht) um 90° in Richtung auf die Zwischenabbildungsoptik 3 abgelenkt wird. Insbesondere kann in dieser Ausführungsvariante das Ablenkelement auch zum Ausschneiden der Pupillen der Übertragungskanäle Verwendung finden. In diesem Fall weist es auf einer Kreisringfläche verteilte Reflexionsbereiche auf, während in den übrigen Bereichen keine Reflexion stattfindet. Die Reflexionsflächen schneiden dann die Pupillen der Übertragungskanäle, im vorliegenden Ausführungsbeispiel also der Stereokanäle aus. Das Ablenkelement kann dabei auch um die optische Achse herum drehbar angeordnet sein.
Wie im ersten Ausführungsbeispiel tritt auch in der Abwandlung das Strahlenbündel auf seinem Weg zur Kippspiegelmatrix 5 azentrisch durch die Zwischenabbildungsoptik 3 hindurch und wird von der Kippspiegelmatrix 5 zumindest weitgehend zentrisch in die Zwischenabbildungsoptik 3 zurück reflektiert. Im Ablenkelement 18 ist eine zentrale Öffnung 19 vorhanden, die das abgelenkte, um den zweiten optischen Achsenabschnitt OA2 zentrierte Teilstrahlenbündel 9A in Richtung auf die Kameraadapteroptik 6 passieren lässt. Statt einer Öffnung kann im Zentrum des Ablenkelementes 18 auch ein afokales optisches Element vorhanden sein.
Das was mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel im Hinblick auf die Eintritts- und Austrittspupillen der optischen Elemente sowie der Lage des Ablenkelements 8 und der Aperturblende 2 (falls vorhanden) ausgeführt worden ist, gilt entsprechend auch für die in 5 dargestellte Ausführungsvariante.
Sowohl in der mit Bezug auf die 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsvariante als auch in der mit Bezug auf 5 beschriebenen Ausführungsvariante ist es vorteilhaft, wenn die Anordnung der beiden optischen Achsenabschnitte OA1 und OA2 derart ausgebildet ist, dass der zweite optische Achsenabschnitt OA2 in der Meridionalebene oder der Sagittalebene des Teilstrahlenbündels 9A verläuft. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig und lässt sich auch bei einer frei einstellbaren Stereobasis nur für bestimmte Orientierungen der Stereobasis realisieren.
Wie in dem mit Bezug auf die 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es auch bei der in 5 dargestellten Ausführungsvariante möglich, stereoskopische Bilder für einen oder mehrere Mitbeobachter zu generieren, deren Stereobasis sich in der Orientierung von der Stereobasis des Hauptbeobachters unterscheiden. In beiden Ausführungsvarianten kann zudem die Aperturblende 2 zusätzliche Blendenöffnungen für einen oder mehrere Mitbeobachter aufweisen (oder das Ablenkelement zusätzliche Reflexionsbereiche), wobei dann die Orientierung der einzelnen Stereobasen der Beobachter in Bezug aufeinander fest vorgegeben ist. In diesem Fall kann ein Rotieren der Aperturblende 2 (oder des Ablenkelementes) vermieden werden, solange die absolute Orientierung der Stereobasen sich nicht verändert. Zum Hin- und Herschalten zwischen den Mitbeobachtern ist dann nur noch eine Rotation der Kippspiegelmatrix nötig. Falls eine Kippspiegelmatrix Verwendung findet, bei der die einzelnen Kippspiegelelemente um zwei nicht parallele Achsen unabhängig gekippt werden können, kann die Kippspiegelmatrix als Ganzes auch ortsfest eingebaut sein. Das Schalten zwischen den einzelnen Mitbeobachtern erfolgt dann durch entsprechende Ansteuerung der einzelnen Kippspiegelelemente, so dass sich die Reflexionsrichtungen für die einzelnen Teilstrahlengänge zeitsequentiell einstellen lassen.
Eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsgerätes wird nachfolgend mit Bezug auf 6 beschrieben. Diese Variante kann entsprechend der in den 1 bis 4 dargestellten Variante oder entsprechend der in 5 dargestellten Variante realisiert sein. Einzig die Aperturblende unterscheidet sich in der dritten Variante von den beiden zuvor beschriebenen Varianten. Nachfolgend wird diese Ausführungsvariante anhand der Aperturblende beschrieben. Sie funktioniert aber auch mit einem die Pupillen ausschneidenden Ablenkelement, wie es mit Bezug auf die in 5 gezeigte Ausführungsvariante beschrieben worden ist.
Die Aperturblende 22 der dritten Variante ist in 6 dargestellt. Sie weist drei Blendenöffnungen 22A, 22B, 22C auf, deren Mittelpunkte an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind. In dem Operationsmikroskop der dritten Ausführungsvariante werden daher drei optische Übertragungskanäle für drei Teilstrahlenbündel zur Verfügung gestellt. Durch geeignete Rotation der Kippspiegelmatrix oder durch geeignetes Ansteuern der einzelnen Kippspiegelelemente, falls diese um zwei nicht parallele Achsen unabhängig gekippt werden können, werden die einzelnen Teilstrahlengänge von der Kippspiegelmatrix sequentiell durch die Zwischenabbildungsoptik 3 hindurch zum Bildsensor 7 abgelenkt. Aus den anhand der drei Teilstrahlenbündel gewonnenen Bildinformationen lässt sich mittels Triangulation eine exakte Entfernungsbestimmung für jeden Objektpunkt vornehmen. Anhand der bestimmten Entfernungen und der Blickwinkel, welche die einzelnen Teilstrahlengänge repräsentieren, kann ein 3D-Datenmodell des Beobachtungsobjektes erstellt werden. Aus diesem 3D-Datenmodell lassen sich dann nachträglich Stereobilder mit beliebig orientierter Stereobasis generieren, die einem Betrachter zur Verfügung gestellt werden können. Bei entsprechender Rechnerkapazität kann das Bereitstellen der Stereobilder auch in Echtzeit erfolgen. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass die dreidimensionale Bilderfassung vollständig von dem Erzeugen der stereoskopischen Teilbilder entkoppelt ist. Nach den Erstellen des 3D-Datenmodells sind dadurch der Anzahl der möglichen Mitbeobachter keine grundsätzlichen Grenzen gesetzt. Lediglich die zur Verfügung stehende Rechnerkapazität beim Berechnen der Stereobilder aus dem 3D-Datenmodell beschränkt die Zahl der möglichen Mitbeobachter. Zudem ermöglicht es die beschriebene Vorgehensweise, Filmsequenzen dreidimensional aufgenommener Objekte nachträglich mittels Software so umzurechnen, dass sich für einen Beobachter unabhängig von seiner Stereobasis jeweils ein angepasstes Stereobild ergibt.
Eine weitere Möglichkeit, stereoskopische Zwischenabbildungen anhand dreier Übertragungskanäle zur Verfügung zu stellen, besteht darin, zuerst anhand der aufgenommenen Teilbilder ein Verschiebungsvektorfeld zu berechnen und dann mittels des Verschiebungsvektorfeldes die stereoskopische Zwischenperspektive zu ermitteln. Ein hierzu geeignetes Verfahren ist DE 10 2008 024 732 A1 beschrieben. Einzelheiten des Verfahrens können dem genannten Dokument entnommen werden, weshalb auf dieses Dokument verwiesen wird.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen, die Operationsmikroskope darstellen, beschrieben. Sie kann jedoch auch in anderen optischen Beobachtungsgeräten, in denen unterschiedliche optische Beobachtungskanäle mit voneinander verschiedenen Teilstrahlenbündeln vorliegen, Verwendung finden, insbesondere bei jeglicher Art von stereoskopischen optischen Beobachtungsgeräten. Anwendungsgebiete ergeben sich bei wissenschaftlichen und technischen Mikroskopen, bei Endoskopen, in der Robotik, bei Stereo-Videokameras, etc. Entsprechend kann das erfindungsgemäße optische Beobachtungsgerät statt als Operationsmikroskop als anderes stereoskopisches Mikroskop, als Endoskop, als Videokamera, etc. ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße optische Beobachtungsgerät ermöglicht es insbesondere, eine beliebig rotierbare Stereobasis, optional auch für mehrere voneinander unabhängiger Mitbeobachter, zur Verfügung zu stellen, wobei die Stereobasis jeweils unabhängig eingestellt werden kann. Dabei lassen sich Lichtverluste minimieren, was insbesondere bei Operationsmikroskopen vorteilhaft ist, da die Beleuchtungsstärke des Operationsfeldes verringert werden kann, und sich so Gewebebelastungen beim Patienten vermindern lassen.
Bezugszeichenliste

1: Hauptobjektiv
2: Aperturblende
3: Zwischenabbildungsoptik
4A, B: Blendenöffnung
5: Kippspiegelmatrix
6: Kameraadapteroptik
7: Bildsensor
8: Ablenkelement
9A, B: Teilstrahlenbündel
18: Ablenkelement
19: zentrale Öffnung
22A, B, C: Blendenöffnung
31: asphärische Linsenfläche
51: Kippspiegelelement
61: Linse bzw. Linsengruppe
62: Linse bzw. Linsengruppe
63: Linse bzw. Linsengruppe
O: Objektebene
OA1: optischer Achsenabschnitt
OA2: optischer Achsenabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2004/0017607 A1 [0002]
US 5828487 [0004]
EP 0590984 A1 [0007]
US 2010/0182681 A1 [0013, 0045]
US 2004/0042078 A1 [0015]
DE 10204430 A1 [0015]
US 2010/0265555 A1 [0016]
US 2003/0151810 A1 [0017]
DE 102008024732 A1 [0017, 0069]
US 2010/026555 A1 [0059]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 8 (2006) Seiten 341–346 [0016]

Claims

Optisches Beobachtungsgerät mit wenigstens einem ersten optischen Übertragungskanal zum Übertragen eines ersten Teilstrahlenbündels (9A) und wenigstens einem zweiten optischen Übertragungskanal zum Übertragen eines zweiten Teilstrahlenbündels (9B), wobei das optische Beobachtungsgerät entlang einer optischen Achse (OA1, OA2) angeordnet umfasst: – ein den optischen Übertragungskanälen gemeinsames Hauptobjektiv (1), – wenigstens einen elektronischen Bildsensor (7) zur zeitlich sequentiellen Aufnahme der von den optischen Übertragungskanälen übertragenen Teilstrahlenbündel (9A, 9B), – eine zwischen dem Hauptobjektiv (1) und dem Bildsensor (7) angeordnete, den optischen Übertragungskanälen gemeinsame Zwischenabbildungsoptik (3) und – eine zwischen dem Hauptobjektiv (1) und dem Bildsensor (7) in oder in der Nähe einer Bildebene der Zwischenabbildungsoptik (3) angeordnete Kippspiegelmatrix (5) mit einer Anzahl von kippbaren und hinsichtlich ihrer Kippposition ansteuerbaren Kippspiegelelementen (51), wobei jedes Kippspiegelelement (51) wenigstens eine erste Kippstellung und eine zweite Kippstellung aufweist und wobei die Kippspiegelmatrix (5) mit den Kippspiegelelementen (51) in der ersten Kippstellung das erste Teilstrahlenbündel (9A) zumindest mittelbar in Richtung auf den Bildsensor (7) ablenkt und mit den Kippspiegelelementen (51) in der zweiten Kippstellung das zweite Teilstrahlenbündel (9B) zumindest mittelbar in Richtung auf den Bildsensor (7) ablenkt, wobei die Zwischenabbildungsoptik (3) derart relativ zum Hauptobjektiv (1) zur Kippspiegelmatrix (5) und zum Bildsensor (7) angeordnet ist, dass das jeweilige in Richtung auf den Bildsensor (7) abgelenkte Teilstrahlenbündel (9A, 9B) die Zwischenabbildungsoptik (3) sowohl auf dem Weg vom Hauptobjektiv (1) zur Kippspiegelmatrix (5) als auch auf dem Weg von der Kippspiegelmatrix (5) zum Bildsensor (7) passiert.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 1, welches außerdem wenigstens eine Lichtfalle (10A, 10B) umfasst, die so im Bezug auf die Kippspiegelmatrix (5) angeordnet ist, dass das Licht des jeweils nicht in Richtung auf den Bildsensor (7) abgelenkten Teilstrahlenbündels (9A, 9B) von der Kippspiegelmatrix (5) in die Lichtfalle (10A, 10B) gelenkt wird.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, in dem die Kippspiegelmatrix (5) kurz vor oder hinter der Bildebene der Zwischenabbildungsoptik (3) angeordnet ist.
Optisches Beobachtungsgerät n nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem zwischen der Kippspiegelmatrix und der Zwischenabbildungsoptik (3) ein optischer Tiefpassfilter angeordnet ist.
Optisches Beobachtungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem die Kippspiegelmatrix (5) frei um die optische Achse (OA1, OA2) drehbar angeordnet ist.
Stereoskopisches optisches Beobachtungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem die Kippspiegelmatrix (5) steuerbare Kippspiegelelemente (51) aufweist, die eine Verkippung um eine in der Ebene der Kippspiegelmatrix (5) verlaufende Kippachse ermöglichen, wobei die Orientierung der Kippachse innerhalb der Ebene einstellbar ist.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, welches wenigstens drei optische Übertragungskanäle mit Pupillen, die an den Ecken eines regelmäßigen Polyeders angeordnet sind umfasst und das außerdem eine Steuerung zum Ansteuern der Kippspiegelmatrix (5) aufweist, welche die Kippspiegelelemente (51) und/oder die Rotationsstellung der Kippspiegelmatrix (5) so steuert, dass die Teilstrahlenbündel der wenigstens drei optischen Übertragungskanäle zeitlich sequentiell zumindest mittelbar in Richtung auf den Bildsensor (7) ablenkt werden.
Optisches Beobachtungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in dem das Hauptobjektiv (1) eine Austrittspupille umfasst, in der eine Aperturblende (2, 22) mit die Pupillen der optischen Übertragungskanäle definierenden Aperturen (4A, 4B, 22A, 22B, 22C) angeordnet ist.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 5 und Anspruch 8 oder nach Anspruch 6 und Anspruch 8, in dem die Aperturblende (2, 22) um die optische Achse (OA1) drehbar angeordnet ist.
Optisches Beobachtungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, in dem – die optische Achse einen ersten optischen Achsenabschnitt (OA1) und einen zweiten optischen Achsenabschnitt (OA2) umfasst, wobei der erste optische Achsenabschnitt (OA1) durch die optische Achse des Hauptobjektivs (1) definiert ist und der zweite optische Achsenabschnitt (OA2) durch die optische Achse des Bildsensors (7) definiert ist, – der erste optische Achsenabschnitt (OA1) und der zweite optische Achsenabschnitt (OA2) einen Winkel einschließen, – ein beobachterseitig zum Hauptobjektivs (1) und zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Achsenabschnitt (OA1, OA2) angeordnetes Ablenkelement (8, 18) vorhanden ist, das ein entlang des ersten optischen Achsenabschnitts (OA1) verlaufendes Strahlenbündel in Richtung des zweiten optischen Achsenabschnitts (OA2) ablenkt, und – die Kippspiegelmatrix (5) und die Zwischenabbildungsoptik (3) entlang desselben optischen Achseabschnitts (OA1, OA2) angeordnet sind.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 10, in dem das Hauptobjektiv (1) eine Austrittspupille umfasst und das Ablenkelement (8, 18) in oder in der Nähe der Austrittspupille angeordnet ist.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, in dem die erste optische Achsenabschnitt (OA1) und der zweite optische Achsenabschnitt (OA2) einen Winkel von 90 Grad einschließen und der zweite optische Achsenabschnitt (OA2) innerhalb der Meridionalebene oder der Sagittalebene eines entlang des ersten optischen Achsenabschnitts (OA1) verlaufenden Teilstrahlenbündels verläuft.
Optisches Beobachtungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, in dem das Ablenkelement (8) zentrisch zwischen den optischen Beobachtungskanälen angeordnet ist.
Optisches Beobachtungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, in dem die Zwischenbildoptik (3) derart ausgebildet ist, dass Abbildungsfehler, die beim Durchtritt eines Teilstrahlenbündels (9A, 9B) durch die Zwischenbildoptik (3) auf dem Weg vom Hauptobjektiv (1) zur Kippspiegelmatrix (5) entstehen, beim Durchtritt des Teilstrahlenbündels (9A, 9B) durch die Zwischenbildoptik (3) auf dem Weg von der Kippspiegelmatrix (5) zum Bildsensor (7) wenigstens teilweise ausgeglichen werden.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 14, in dem die Zwischenabbildungsoptik (3) wenigstens eine asphärische Linsenfläche (31) umfasst, die in einem Teil des Strahlengangs angeordnet ist, in dem die vom Teilstrahlenbündel (9A, 9B) auf seinem Weg vom Hauptobjektiv (1) zur Kippspiegelmatrix (5) passierten Linsenanschnitte keinen oder nur wenig überlapp mit den auf seinem Weg von der Kippspiegelmatrix (5) zum Bildsensor (7) passierten Linsenabschnitten aufweisen.
Optisches Beobachtungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, das außerdem einen zwischen der Zwischenabbildungsoptik (3) und dem Bildsensor (7) angeordneten Kameraadapter mit einer Kameraadapteroptik (6) umfasst.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 16, in dem die Kameraadapteroptik (6) nach dem Durchgang des in Richtung auf den Bildsensor abgelenkten Teilstrahlenbündels (9A, 9B) durch die Zwischenabbildungsoptik (3) vorhandene Abbildungsfehler ausgleicht.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 16 oder 17 und einem der Ansprüche 10 bis 114, in dem das Ablenkelement (8, 18) Teil der Kameraadapteroptik (6) ist.
Optisches Beobachtungsgerät nach einem der Ansprüche 16 bis 18, in dem die Kameraadapteroptik (6) als Zoomsystem ausgestaltet ist.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 19, in dem die Kameraadapteroptik (6) eine ortsfeste Eintrittspupillenebene am Ort des Ablenkelementes (8, 18) oder in dessen Nähe aufweist.
Optisches Beobachtungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 20, in dem wenigstens drei monochrome Bildsensoren und ein Farbteiler zum Aufteilen des Teilstrahlenbündels in wenigstens drei Farbkanäle vorhanden sind, wobei die Bildsensoren in Bezug auf den Farbteiler so angeordnet sind, dass jedem Bildsensor ein Farbkanal des Teilstrahlenbündels zugeführt wird.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 21 und einem der Ansprüche 16 bis 20, in dem die Kameraadapteroptik (6) derart ausgestaltet ist, dass von verschiedenen Objektfeldpunkten ausgehende Strahlenbündel nach dem Durchtritt durch die Kameraadapteroptik (6) Hauptstrahlen aufweisen, die einen Winkel von nicht mehr als 20° mit der optischen Achse bilden.
Optisches Beobachtungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 22, in dem das zum Bildsensor (7) gelangende Teilstrahlenbündel (9A, 9B) auf seinem Weg zur Kippspiegelmatrix (5) einen Randbereich der Zwischenabbildungsoptik (3) bezogen auf die optische Achse (OA1, OA2) passiert und auf seinem Weg von der Kippspiegelmatrix (5) zum Bildsensor (7) einen zentralen Bereich der Zwischenabbildungsoptik (3) bezogen auf die optische Achse (OA1, OA2) passiert.