DE102018115824A1

DE102018115824A1 - 3D-Kalibrierkörper, Kalibrierverfahren zum räumlichen Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems, Kalibrierelement und Kalibrierverfahren zum Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems

Info

Publication number: DE102018115824A1
Application number: DE102018115824.6A
Authority: DE
Inventors: Lars Omlor; Carsten Glasenapp
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2038-06-30
Also published as: US11803045B2; DE102018115824B4; US20200004003A1

Abstract

Es wird ein 3D-Kalibierkörper (1) zum räumlichen Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems (22) mit einem transparenten Körper und im Volumen des transparenten Körpers (3-3) eingebetteten Kalibriermarken (9) zur Verfügung gestellt. Wenigstens einige der Kalibriermarken (9) sind selektiv aktivierbar und deaktivierbar, wobei eine aktivierte Kalibiermarke (9) im sichtbaren Spektralbereich sichtbar und eine deaktivierte Kalibriermarke (9) im sichtbaren Spektralbereich nicht sichtbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen 3D-Kalibrierkörper zum räumlichen Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems sowie ein Kalibrierelement zum Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems. Daneben betrifft die Erfindung Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems.
Eine Kalibrierung optischer Abbildungssysteme ist nötig, wenn solche Systeme für messtechnische Zwecke Verwendung finden sollen. Ein Beispiel für die Kalibrierung eines optischen Abbildungssystems ist in US 2004/004762 A1 beschrieben. Die US 2004/004762 A1 beschreibt ein Verfahren zum Kalibrieren eines Stereomikroskops mit einem Zoomsystem, welches zur Längenmessung herangezogen werden soll. In dem Verfahren wird ein Objektreferenzmaß mit einer vorgegebenen Skalierung in der Objektebene des Stereomikroskops platziert. Außerdem wird ein Okularreferenzmaß mit vorbekannter Skalierung im Okular verwendet. Die Zoomeinstellung des Mikroskops wird dann derart verändert, dass das Bild des Objektreferenzmaßes mit dem Okularreferenzmaß in der Zwischenbildebene zur optischen Übereinstimmung gebracht wird, und die entsprechende Zoomeinstellung wird bestimmt. Sodann wird eine Istvergrößerung des Stereomikroskops in dieser Zoomeinstellung auf der Grundlage des Abbildungsmaßstabs, der durch die zur Übereinstimmung gebrachten Referenzmaße gegeben ist, festgestellt. Weiterhin wird die Nominalvergrößerung des Stereomikroskops in dieser Zoomeinstellung festgestellt, und es wird die Istvergrößerung mit der Nominalvergrößerung rechnerisch in Beziehung gesetzt. Die Vergrößerungen für weitere Zoomeinstellungen können dann aufgrund der errechneten Beziehung berechnet werden. Die als Objektreferenzmaß verwendeten Kalibrierelemente weisen häufig ein gleichmäßiges Muster auf, welches auf die Auflösung des abbildenden Systems abgestimmt ist. Gerade für Zoomsysteme ist hier oft ein für das Gesamtergebnis unbefriedigender Kompromiss nötig.
Um ein optisches System räumlich, d.h. in drei Dimensionen, zu kalibrieren, besteht die Möglichkeit, Kalibrierelemente in verschiedenen Abständen oder mit verschiedenen Kippwinkeln bzw. Ausrichtungen vor dem zu kalibrierenden optischen Abbildungssystem zu platzieren und durch Mehrfachaufnahmen eine dreidimensionale Information zu erzeugen. Nachteilig ist hierbei, dass der Bezug der einzelnen Aufnahmen oft Aufwendig rekonstruiert werden muss. Dies kostet Zeit und verringert die Genauigkeit.
Aus US 5,442,674 ist ein Kalibrierkörper bekannt, der als Plexiglaszylinder ausgebildet ist, in dessen Wand kleine Metallteile eingebracht sind. Dieser Kalibrierkörper wird zum Herbeiführen einer 3D-Kalibrierung in einem Röntgensystem herangezogen. Da der Kalibrierkörper aus Plexiglas besteht, kann er aber grundsätzlich auch im sichtbaren Spektralbereich eingesetzt werden. Problematisch bei einem solchen Kalibrierkörper ist, dass die einzelnen Metallteile, die grundsätzlich als Kalibriermarken dienen können, tiefer liegende Strukturen, also weiter vom Hauptobjektiv entfernte Strukturen, verdecken können, was die Genauigkeit der Kalibrierung beeinträchtigt. Die Beeinträchtigung der Kalibrierung rührt daher, dass aufgrund der Abschattungen entweder die maximale Dichte von Kalibrierpunkten oder die Eindeutigkeit einer Zuordnung von abgebildeten Kalibrierpunkten nicht mehr ohne weiteres möglich ist.
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen 3D-Kalibrierkörper zu schaffen, der einen transparenten Körper und im Volumen des transparenten Körpers eingebettete Kalibriermarken aufweist, bei dem eine Kalibrierung in unterschiedlichen Tiefen ohne Verdeckung der jeweiligen Kalibrierelemente durch darüber liegende Kalibrierelemente möglich ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum räumlichen Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Kalibrierung in unterschiedlichen Tiefen, d.h. unterschiedlichen Abständen vom Hauptobjektiv erfolgen kann, ohne dass tiefer liegende Kalibriermarken durch darüber liegende Kalibriermarken verdeckt werden.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kalibrierelement zum Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems zur Verfügung zu stellen, welches ein Muster von Kalibriermarken aufweist, das sowohl für kleine als auch für große Zoomstufen eine Kalibrierung in ausreichender Güte ermöglicht.
Schließlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems mit verschiedenen Zoomstufen zur Verfügung zu stellen, bei dem sowohl für kleine als auch für große Zoomstufen eine Kalibrierung in ausreichender Güte möglich ist.
Die erste Aufgabe wird durch ein 3D-Kalibrierkörper nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ein Verfahren zum räumlichen Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems nach Anspruch 15. Die dritte Aufgabe wird durch ein Kalibrierelement nach Anspruch 16 gelöst und die vierte Aufgabe durch ein Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems mit verschiedenen Zoomstufen nach Anspruch 21. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßer 3D-Kalibrierkörper zum räumlichen Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems umfasst einen transparenten Körper und im Volumen des transparenten Körpers eingebettete Kalibriermarken. Erfindungsgemäß sind wenigstens einige der Kalibriermarken selektiv aktivierbar und deaktivierbar, wobei eine aktivierte Kalibriermarke im sichtbaren Spektralbereich sichtbar und eine deaktivierte Kalibriermarke im sichtbaren Spektralbereich nicht sichtbar ist. Als nicht sichtbar soll eine Kalibriermarke angesehen werden, wenn der Michelson-Kontrast der Kalibriermarke im transparenten Medium weniger als 0,2, insbesondere weniger als 0,1 beträgt. Vorteilhafterweise können die Kalibriermarken in unterschiedlichen Ebenen des transparenten Körpers aktiviert und deaktiviert werden. Die Kalibriermarken können zu wenigstens zwei Gruppen von Kalibriermarken zusammengefasst sein, wobei wenigstens eine der Gruppen von Kalibriermarken aktivierbar und deaktivierbar ist. Die Kalibriermarken einer Gruppe von Kalibriermarken können innerhalb einer Ebene im transparenten Körper angeordnet sein.
Bei dem optischen Abbildungssystem kann es sich um ein stereoskopisches optisches Gerät, etwa ein Stereomikroskop wie beispielsweise ein Operationsmikroskop oder eine Stereokamera handeln. Das optische Abbildungssystem kann jedoch auch ein optisches Abbildungssystem sein, bei dem die räumliche Bildinformation nicht mittels Stereoskopie ermittelt wird. Beispielsweise kann die räumliche Bildinformation bei einem Abbildungssystem mit nur einem Abbildungsstrahlengang gewonnen werden, indem ein Lichtmuster auf das Beobachtungsobjekt projiziert wird, von dem Beobachtungsobjekt mit dem projizierten Lichtmuster ein Objektbild aufgenommen wird und die räumliche Information aus der Verzerrung des Lichtmusters im Objektbild ermittelt wird.
Dadurch, dass im erfindungsgemäßen 3D-Kalibrierkörper zumindest einige der Kalibriermarken im Volumen des transparenten Körpers aktivierbar und deaktivierbar sind, können durch geeignetes Aktiven und Deaktivieren von Kalibriermarken Abschattungen, d.h. Verdeckungen tiefergelegener Kalibriermarken durch höher gelegene Kalibriermarken weitgehend vermieden werden. Insbesondere wenn die Kalibriermarken zu Gruppen von Kalibriermarken zusammengefasst sind, von denen wenigstens eine aktivierbar und deaktivierbar ist, besteht die Möglichkeit, die Gruppen so auszugestalten, dass sie jeweils für einen bestimmten Kalibriervorgang optimiert sind. Für den jeweiligen Kalibriervorgang brauchen dann nur die Kalibriermarken der jeweilig geeigneten Gruppe aktiviert zu werden, so dass eine Verdeckung dieser Kalibriermarken durch Kalibriermarken der nicht benötigten Gruppe vermieden werden können. Insbesondere, wenn die Gruppen von Kalibriermarken jeweils innerhalb einer Ebene im transparenten Körper angeordnet sind, können höher gelegene Kalibriermarken deaktiviert werden, wenn tiefer gelegene Kalibriermarken Verwendung finden sollen. Je nach Anordnung der Kalibriermarken in den jeweiligen Ebenen kann es dabei ausreichen, dass in höher gelegenen Ebenen nur einen Teil der Kalibriermarken deaktiviert wird, wenn die Muster in den jeweiligen Ebenen so angeordnet sind, dass die in der höheren Ebene verbliebenen nicht deaktivierten Kalibriermarken die Kalibriermarken der tiefer gelegenen Ebene nicht verdecken.
Im erfindungsgemäßen Kalibrierkörper kann der transparente Körper beispielsweise aus einem Stapel von Schichten aufgebaut sein. Die Kalibriermarken sind dann in einzelnen Schichten des Stapels angeordnet. Ein derartiger 3D-Kalibrierkörper lässt sich in einfacher Weise mit bekannten Schichttechnologien herstellen. Dabei kann wenigstens eine der Schichten des Stapels durch ein transparentes Display, etwa ein LCD- ein TFT-, ein LED-, ein OLED-Display etc., gebildet sein, wobei die selektiv aktivierbaren oder deaktivierbaren Kalibriermarken dann auf dem Display darstellbare Strukturen sind. Diese Ausgestaltung des 3D-Kalibrierkörpers ermöglicht eine sehr hohe Flexibilität in der Anordnung der Kalibriermarken, so dass der Kalibrierkörper optimal an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden kann. Zum Steuern der Darstellung auf dem Display kann beispielsweise ein handelsüblicher Computer zur Anwendung kommen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine dedizierte Steuerung für die verwendeten transparenten Displays zur Verfügung zu stellen.
Wenn das verwendete Display oder die verwendeten Displays nicht selbstleuchtend sind, kann der 3D-Kalibrierkörper zudem eine Hintergrundbeleuchtungsanordnung aufweisen. Dadurch wird die Anzahl der für den 3D-Kalibrierkörper geeigneten transparenten Displays erhöht.
In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen 3D-Kalibrierkörpers sind die Schichten flächige Lichtleiter, wobei die Lichtleiter jeweils derart ausgestaltet sind, dass an ihren Grenzflächen evaneszente Felder des in den Lichtleitern geleiteten Lichtes auftreten. Die Kalibriermarken sind dann durch Strukturen an den Grenzflächen der Lichtleiter gebildet, an denen die evaneszenten Felder in Form von sich ausbreitenden elektromagnetischen Wellen aus dem jeweiligen Lichtleiter ausgekoppelt werden. Außerdem ist eine Einkoppelvorrichtung zum Einkoppeln von Licht die flächigen Lichtleiter vorhanden, wobei die Einkoppelvorrichtung es ermöglicht, die Einkopplung von Licht in einzelne der Lichtleiter ein- und auszuschalten. In dieser Ausgestaltung werden die Kalibriermarken einer Schicht dadurch aktiviert bzw. deaktiviert, dass das Einkoppeln von Licht in den die Schicht bildenden Lichtleiter ein- oder ausgeschaltet wird. Um ein Ein- und Auszuschalten der Einkopplung von Licht in einzelne der Lichtleiter zu ermöglichen, kann die Einkoppelvorrichtung für jeden Lichtleiter einen eigene, dem Lichtleiter zugeordnete ein- und ausschalbare Lichtquelle haben, die im eingeschalteten Zustand nur Licht in den ihr zugeordneten Lichtleiter einkoppelt. Die Einkoppelvorrichtung kann aber auch eine geringere Anzahl an Lichtquellen aufweisen als Lichtleiter vorhanden sind, deren Licht mittels optischer Schalter individuell einem oder mehreren einzelnen Lichtleitern zugeführt werden kann. In diesem Fall ist insbesondere auch nur eine einzige Lichtquelle ausreichend.
Unter evaneszenten Feldern von Licht sind dabei Felder in Bereichen des Kalibrierkörpers zu verstehen, in denen eine Lichtausbreitung nicht stattfindet. In diesen Bereichen klingen die elektromagnetischen Felder des Lichtes exponentiell ab. Evaneszente Felder können beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass an den Grenzflächen der flächigen Lichtleiter eine Totalreflektion des in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtes stattfindet. Die Ausbreitung des Lichtes erfolgt dann lediglich im Lichtleiter. Außerhalb des Lichtleiters klingen die elektromagnetischen Felder des Lichtes dagegen exponentiell ab, d.h. außerhalb des Lichtleiters liegen evaneszente Felder vor. In einem derartigen Lichtleiter können Kalibriermarken durch lokale Strukturen an den Grenzflächen der Lichtleiter gebildet sein, an denen die evaneszenten Felder in ausbreitungsfähige elektromagnetische Wellen umgewandelt werden. Die Umwandlung kann bspw. durch eine sog. frustrierte Totalreflektion oder durch Anregung einer Lichtemission durch die evaneszenten Felder herbeigeführt werden. An den Stellen, an denen die Umwandlung stattfindet, werden sich ausbreitende elektromagnetische Wellen aus dem Lichtleiter ausgekoppelt. Stellen, an denen die Umwandlung stattfindet, können beispielsweise durch Aufbringen von Substanzen auf die Oberfläche der Lichtleiter, durch Ätzen der Lichtleiteroberfläche, durch Aufprägen von Strukturen auf der Oberfläche der Lichtleiter, durch Bohren kleiner Löcher in die Oberfläche der Lichtleiter, durch Strukturieren der Oberfläche mit Hilfe von Lasern oder durch anderweitiges Strukturieren der Lichtleiteroberfläche erfolgen. Aufgebrachte Stoffe können dabei organisch oder anorganisch sein und ggf. auch fluoreszierend sein.
Die Anordnung von Kalibriermarken im Volumen des transparenten Körpers kann eine Verteilung der Kalibriermarken im Volumen des transparenten Körpers aufweisen, deren Ortsfrequenz sich innerhalb des transparenten Körpers ändert. Wenn die Kalibriermarken beispielsweise durch Punkte im transparenten Körper gegeben sind, kann sich etwa die Punktdichte ändern. Alternativ zu Kalibriermarken mit einer sich ändernden Ortsfrequenz besteht auch die Möglichkeit, dass die Anordnung von Kalibriermarken eine selbstähnliche Verteilung der Kalibriermarken im transparenten Körper aufweist. Selbstähnliche Verteilungen sind beispielsweise als Mandelbrotmengen bekannt.
Die Verteilung der Kalibriermarken im transparenten Körper kann dabei durch Muster von Kalibriermarken gebildet sein, die in den Schichten des Stapels von Schichten angeordnet sind, wobei die Muster von Kalibriermarken jeweils eine Verteilung der Kalibriermarken innerhalb der jeweiligen Schicht aufweisen, deren Ortsfrequenz sich innerhalb der Schicht ändert oder wobei die Muster von Kalibriermarken jeweils eine selbstähnliche Verteilung von Kalibriermarken innerhalb der jeweiligen Schicht aufweisen.
Im Falle einer sich ändernden Ortsfrequenz kann diese insbesondere so ausgebildet sein, dass sie sich vom Zentrum des transparenten Körpers zu seinem Rand hin verringert. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, dass sich mit der Ortsfrequenz auch die Ausdehnung der jeweiligen Kalibriermarken ändert, beispielsweise vom Zentrum des transparenten Körpers zu seinem Rand hin größer wird.
Wenn die Verteilung der Kalibriermarken im transparenten Körper durch Muster von Kalibriermarken gebildet ist, deren Ortsfrequenz sich innerhalb des transparenten Körpers ändert oder die eine selbstähnliche Verteilung aufweisen, kann erreicht werden, dass der Kalibrierkörper zur 3D-Kalibrierung mit unterschiedlichen Zoomstufen optimal ausgebildet werden kann.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum räumlichen Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems wird eine Anordnung von Kalibriermarken in verschiedenen Abständen und/oder von verschiedenen Kippwinkeln des optischen Abbildungssystems relativ zu der Anordnung von Kalibriermarken aufgenommen, um eine räumliche Information zu gewinnen. Die Kalibrierung wird dann anhand von gewonnenen räumlichen Informationen durchgeführt. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt ein 3D-Kalibrierkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Anwendung. Die Anordnung von Kalibriermarken wird dann durch die Kalibriermarken des 3D-Kalibrierkörpers gebildet. In diesem Verfahren können Kalibriermarken des Kalibrierkörpers geeignet aktiviert oder deaktiviert werden, so dass eine geeignete Verteilung der Kalibriermarken eingestellt werden kann, in der tiefer gelegene Kalibriermarken nicht von darüber liegenden Kalibriermarken verdeckt werden. Damit ist eine rasche und genaue räumliche Kalibrierung des optischen Abbildungssystems möglich. Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Ausgestaltungen des verwendeten 3D-Kalibrierkörpers.
Bei dem zu kalibrierenden optischen Abbildungssystem kann es sich um ein stereoskopisches optisches Gerät, etwa ein Stereomikroskop wie beispielsweise ein Operationsmikroskop oder eine Stereokamera handeln. Das optische Abbildungssystem kann jedoch auch ein optisches Abbildungssystem sein, bei dem die räumliche Bildinformation nicht mittels Stereoskopie ermittelt wird. Beispielsweise kann die räumliche Bildinformation bei einem Abbildungssystem mit nur einem Abbildungsstrahlengang gewonnen werden, indem ein Lichtmuster auf das Beobachtungsobjekt projiziert wird, von dem Beobachtungsobjekt mit dem projizierten Lichtmuster ein Objektbild aufgenommen wird und die räumliche Information aus der Verzerrung des Lichtmusters im Objektbild ermittelt wird.
Gemäß der Erfindung wird außerdem ein Kalibrierelement zum Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems zur Verfügung gestellt, welches ein Muster von Kalibriermarken aufweist. Gemäß der Erfindung weist das Muster von Kalibriermarken eine Verteilung der Kalibriermarken auf, deren Ortsfrequenz sich innerhalb des Kalibrierelements ändert. Alternativ kann das Muster von Kalibriermarken einer selbstähnlichen Verteilung der Kalibriermarken aufweisen.
Bei dem optischen Abbildungssystem kann es sich um ein stereoskopisches optisches Gerät, etwa ein Stereomikroskop wie beispielsweise ein Operationsmikroskop oder eine Stereokamera handeln. Das optische Abbildungssystem kann jedoch auch ein optisches Abbildungssystem sein, bei dem die räumliche Bildinformation nicht mittels Stereoskopie ermittelt wird. Beispielsweise kann die räumliche Bildinformation bei einem Abbildungssystem mit nur einem Abbildungsstrahlengang gewonnen werden, indem ein Lichtmuster auf das Beobachtungsobjekt projiziert wird, von dem Beobachtungsobjekt mit dem projizierten Lichtmuster ein Objektbild aufgenommen wird und die räumliche Information aus der Verzerrung des Lichtmusters im Objektbild ermittelt wird.
Mit dem Muster, dessen Verteilung von Kalibriermarken eine sich ändernde Ortsfrequenz aufweist oder mit dem Muster von Kalibriermarken, dass eine selbstähnliche Verteilung der Kalibriermarken ausweist, kann sowohl für kleine als auch für große Zoomstufen einer Kalibrierung in ausreichender Güte realisiert werden.
Üblicherweise wirkt sich ein optischer Zoom eines optischen Abbildungssystems als eine Skalierung - und damit eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Bildfeldes - um einen nahe der Bildmitte befindenden Bildpunkt aus. Um nach einer Skalierung eine ausreichende Anzahl von Kalibriermarken für die Kalibrierung nutzen zu können, ist es vorteilhaft, wenn sich die Ortsfrequenz der Verteilung der Kalibriermarken zur Mitte des Kalibrierelements hin erhöht. Zusätzlich oder alternativ besteht die Möglichkeit, dass sich mit der Ortsfrequenz auch die Ausdehnung der jeweiligen Kalibriermarken ändert, so dass für hohe Zoomstufen kleinere Kalibriermarken vorliegen als für niedrige Zoomstufen. Dadurch kann erreicht werden, dass die für die jeweilige Zoomstufe verwendeten Kalibriermarken aufgrund der Skalierung durch den Zoomfaktor im Bild die gleiche Größe aufweisen. Da bei einer höheren Zoomstufe ein kleineres Objektfeld betrachtet wird, welches zudem im Zentrum des Objekts liegt, werden die jeweiligen Kalibriermarken in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kalibrierelements vom Zentrum des Kalibrierelements zu seinem Rand hin größer. Bei einer hohen Zoomstufe werden dann für die Kalibrierung die kleinen Kalibriermarken im Zentrum des Kalibrierelements verwendet, bei einer niedrigen Zoomstufe die großen Kalibriermarken am Rand des Kalibrierelements. Um bei niedrigen Zoomstufen über die gesamte Fläche des Bildfeldes geeignete Kalibriermarken zu haben, kann es vorteilhaft sein, wenn das Kalibrierelement ein zweites Muster von Kalibriermarken aufweist, in dem die Kalibriermarken eine konstante Ortsfrequenz und eine konstante Größe aufweisen. Da dieses Muster in erster Linie für niedrige Zoomstufen zum Einsatz kommt, hat dieses typischerweise eine niedrige Ortsfrequenz und Kalibriermarken mit einer relativ großen Ausdehnung.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Kalibrierelements kann die Verteilung der Kalibriermarken, deren Ortsfrequenz sich innerhalb des Kalibrierelementes ändert, oder die eine selbstähnliche Verteilung repräsentieren, eine räumliche Verteilung von Kalibriermarken sein oder eine flächige Verteilung. Im ersteren Fall sind die Kalibriermarken in einen transparenten Kalibrierkörper eingebettet, im letzteren Fall können sie auf ein flächiges Kalibrierelement aufgebracht sein, das nicht zwingend aus einem transparenten Material zu bestehen braucht, grundsätzlich aber auch aus einem transparenten Material hergestellt werden kann.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems mit verschiedenen Zoomstufen wird zumindest ein Bild von einem Muster von Kalibriermarken in wenigstens einer Zoomstufe des optischen Abbildungssystems aufgenommen. Dabei kommt ein erfindungsgemäßes Kalibrierelement zum Einsatz. Das Muster von Kalibriermarken wird dabei durch die Kalibriermarken des Kalibrierelements gebildet, so dass das Muster eine Verteilung von Kalibriermarken aufweist, deren Ortsfrequenz sich innerhalb des Kalibrierelements ändert, oder dass das Muster von Kalibriermarken eine selbstähnliche Verteilung der Kalibriermarken aufweist. Aufgrund der Verwendung des erfindungsgemäßen Kalibrierelementes ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren sowohl bei niedrigen Zoomstufen als auch zum Kalibrieren bei hohen Zoomstufen geeignet, so dass eine Kalibrierung in ausreichender Güte unabhängig von der gewählten Zoomstufe realisiert werden kann. Insbesondere können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch Bilder von dem Muster von Kalibriermarken in zwei oder mehr Zoomstufen des optischen Abbildungssystems aufgenommen werden, so dass die Kalibrierung anhand von Bildern in mehreren Zoomstufen erfolgen kann.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

1 zeigt in einem Querschnitt einen 3D-Kalibrierkörper, der aus einer Anzahl von Displayschichten aufgebaut ist.
2 zeigt ein ebenes Muster von Kalibriermarken eines Kalibrierelements.
3 zeigt ein selbstähnliches Muster von Kalibriermarken eines Kalibrierelements.
4 zeigt in einem Querschnitt einen 3D-Kalibrierkörper, der aus einer Anzahl von Lichtleiterschichten aufgebaut ist.
5 zeigt die Anordnung eines Kalibrierkörpers in Bezug auf ein optisches Abbildungssystem, welches mit Hilfe des Kalibrierkörpers kalibriert werden soll.

Ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen 3D-Kalibrierkörper ist in 1 dargestellt. Dieser Kalibrierkörper ist im Wesentlichen aus einem Stapel von transparenten Displays 3₁ bis 3₉ aufgebaut, die mittels einer Steuerung 5 individuell angesteuert werden können. Jedes Display 3₁ bis 3₉ ist aus einer Mehrzahl von Pixeln 7 aufgebaut, die mittels der Steuerung 5 individuell in einem transparenten oder einen intransparenten Zustand geschaltet werden können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bilden die transparenten Displays 3₁ bis 3₉ einen im Wesentlichen würfelförmigen transpatenten Körper, in dem sich die meisten Pixel 7 in einem transparenten Zustand befinden. Die in der Figur dunkel eingezeichneten Pixel 9₁ bis 9₄ befinden sich dagegen in einem intransparenten Zustand. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kommen LCD-Displays 3₁ bis 3₉ zur Anwendung, deren Pixel 7 je nach anliegender Spannung transparent oder intransparent sind. Der Stapel von Displays von 3₁ bis 3₉ wird im gezeigten Ausführungsbeispiel von einem am unteren Rand des 3D-Kalibrierkörpers 1 angeordneten Beleuchtungspanel 11 mit Lichtquellen 13, die für eine Hintergrundbeleuchtung der Displays 3₁ bis 3₉ sorgen, beleuchtet. Zur Vergleichmäßigung der Beleuchtungsintensität befindet sich zwischen dem Beleuchtungspanel 11 und dem Stapel von Displays 3₁ bis 3₉ eine Diffusorplatte 15.
In der Darrstellung aus 1 sind die einzelnen Displays 3₁ bis 3₉ so geschaltet, dass die intransparenten Pixel 9₁ bis 9₄ in einer Ebene des von den transparenten Displays 3₁ bis 3₉ gebildeten im Wesentlichen würfelförmigen transpatenten Körpers liegen, die diagonal durch den Körper verläuft. Sie können jedoch auch beliebig anders geschaltet sein, beispielsweise so, dass sie in einer horizontal verlaufenden Ebene liegen, beispielsweise, in dem nur Pixel des Displays 3₅ intransparent geschaltet werden. Ebenso ist es möglich, Pixel intransparent zu schalten, die auf einer gedachten gekrümmten Fläche liegen. Zudem ist es nicht notwendig, dass wie in 1 gezeigt, die intransparenten Pixel konstanter Abstände zueinander aufweisen. Stattdessen können Pixel der Displays 3₁ bis 3₉ derart intransparent geschaltet werden, dass die Dichte an intransparenten Pixeln im Zentrum des 3D-Kalibrierkörpers 1 höher ist als am Rand des 3D-Kalibrierkörpers 1. Auf diese Weise kann ein Muster aus Kalibriermarken geschaffen werden, welches eine variable Ortsfrequenz aufweist. Ein Beispiel für ein derartiges Muster 16 an Kalibriermarken ist in 2 gezeigt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, weiter vom Zentrum des 3D-Kalibrierkörpers befindliche Kalibriermarken größer auszugestalten als näher am Zentrum des 3D-Kalibrierkörpers 1 liegende Kalibriermarken, wie dies ebenfalls in 2 gezeigt ist. Größere Kalibriermarken könne dadurch erreicht werden, dass am Rand befindliche Kalibriermarken von einer größeren Anzahl benachbarter Pixel der Displays 3₁ bis 3₉ gebildet werden als kleine Kalibriermarken. Durch die Verwendung eines Musters, das unterschiedlich große Kalibriermarken aufweist, kann erreicht werden, dass bei unterschiedlichen Zoomstufen die Kalibriermarken in den mit den unterschiedlichen Zoomstufen aufgenommenen Bildern im Wesentlichen dieselbe Größe und für die Kalibrierung geeignete Abstände aufweisen. Bei hohen Zoomstufen ist lediglich ein kleiner Ausschnitt im Bild sichtbar, bspw. das Zentrum des 3D-Kalibrierkröpers, bei niedrigen Zoomstufen dagegen der gesamte Kalibrierkörper 1. Zudem zeigen hohe Zoomstufen kleinere Strukturen als niedrige Zoomstufen, so dass bei einer hohen Zoomstufe die kleinen, dicht beieinander liegenden, kleinen Kalibriermarken im Zentrum des Musters 16 Verwendung finden können und bei niedrigen Zoomstufen die weniger dicht beieinander liegenden, größeren Kalibriermarken am Rand des Musters 16. Dabei besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit, dass einem Muster 16 an Kalibriermarken mit einer variablen Ortsfrequenz, also mit Abständen der Kalibriermarken voneinander, die über den Kalibrierkörper 1 variieren, ein Muster 16' mit konstanter Ortsfrequenz, also ein Muster mit konstanten Abständen zwischen den Kalibriermarken im gesamten Kalibrierkörper 1 überlagert wird. Das in 2 gezeigte Muster weist eine derartige Überlagerung auf.
Ein Muster aus Kalibriermarken, wie es mit Bezug auf 2 beschrieben worden ist, kann insbesondere innerhalb einer durch ein Display 3₁ bis 3₉ gebildeten Ebene liegen. Es sei an dieser Stelle aber darauf hingewiesen, dass ein derartiges Muster nicht zwingen in einem 3D-Kalibierkörper Verwendung finden muss, sondern in jedem Kalibrierelement Verwendung finden kann, insbesondere auch in einem flächigen Kalibrierelement.
Alternativ zu den bisher beschriebenen Mustern besteht auch die Möglichkeit, mit Hilfe der Displays 3₁ bis 3₉ selbstähnliche Muster an Kalibriermarken zu generieren. Ein Beispiel für ein solches selbstähnliches Muster ist in 3 schematisch dargestellt. 3 zeigt ein schachbrettartiges Muster 17 aus Kalibriermarken 19, wobei die Kalibriermarken 19 im dargestellten Beispiel durch eine quadratische Fläche gebildet sind, in der eine Anzahl an Pixel intransparent geschaltet ist. Zwischen diesen Kalibriermarken 19 befinden sich gleichgroße quadratische Flächen 21, in denen alle Pixel transparent geschaltet sind.
In einer Kalibriermarke 19 sind jedoch nicht alle Pixel intransparent geschaltet, sondern die Kalibriermarke selbst stellt wiederum ein schachbrettartiges Muster aus nun kleineren quadratischen Kalibriermarken 19₁ mit dazwischen befindlichen gleichgroßen transparenten quadratischen Flächen 21₁ dar. Auch die kleineren Kalibriermarken 19₁ sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen Displaybereich gebildet, in dem eine Anzahl an Pixeln 19₂ intransparent geschaltet ist und eine Anzahl an Pixeln 21₂ transparent. Auf diese Weise besteht jede der kleinen Kalibriermarken 19₁ wiederum noch einem schachbrettartigen Muster, welches aus noch kleineren Kalibriermarken 19₂ mit dazwischen liegenden transparent geschalteten Pixelbereichen 21₂ gebildet ist. Dies kann solange fortgeführt werden, bis ein schachbrettartiges Muster aus einzelnen abwechselnd transparent und intransparent geschalteten Pixeln der Displays vorliegt. Das in 3 gezeigte Muster kann entweder ein Muster sein, das innerhalb eines einzigen Displays 3₁ bis 3₉ gebildet wird, oder ein Muster, dass von mehreren Displays gemeinsam gebildet wird, wie beispielsweise das in 1 gezeigte Muster. In diesem Fall ist natürlich die Anzahl transparenter Displays erheblich höher als dies in 1 dargestellt ist.
Wie das in 2 gezeigte Muster an Kalibriermarken kann auch das mit Bezug auf 3 beschriebene selbstähnliche schachbrettartige Muster von Kalibriermarken statt in einem 3D-Kalibrierkörper auch in einem flächigen Kalibrierelement zum Einsatz kommen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen 3D-Kalibrierkörper ist in 4 dargestellt. Auch dieser Kalibrierkörper 101 ist wieder im Wesentlichen würfelförmig und aus transparenten Schichten aufgebaut. Im Unterschied zum 3D-Kalibrierkörper 1 aus 1 besteht der 3D-Kalibrierkörper 101 aber nicht aus einem Stapel von transparenten Displays, sondern ist aus gestapelten Lichtleitern 103₁ bis 103₅ aufgebaut. Die Lichtleiter 103₁ bis 103₅ sind durch einander abwechselnde transparente Schichten 104, 105 gebildet, wobei die Schichten 105₁ bis 105₆ einen höheren Brechungsindex als die dazwischen angeordneten Schichten 104₁ bis 104₅ aufweisen. In die Schichten 105₁ bis 105₅ wird mittels selektiv schaltbarer Lichtquellen 107₁ bis 107₅ Licht derart eingekoppelt, dass es an den Grenzflächen zwischen den Schichten 104 und 105 total reflektiert wird. Die Totalreflektion kann erreicht werden, in dem der hohe Brechungsindex der Schichten 105₁ bis 105₆ und der niedrige Brechungsindex der Schichten 104₁ bis 104₅ sowie die Einstrahlrichtung des Lichtes derart aneinander angepasst werden, dass der Grenzwinkel für Totalreflektion überschritten wird.
Aufgrund der Totalreflektion an den Grenzflächen zwischen den Schichten 104 und 105 erfolgt eine Lichtausbreitung, d.h. eine Ausbreiten der elektromagnetischen Wellen des Lichtes, nur innerhalb der jeweiligen Lichtleiter 103₁ bis 103₅ . In den Schichten 104₁ bis 104₆ mit dem niedrigen Brechungsindex nehmen die elektromagnetischen Felder des Lichtes dagegen exponentiell ab, so dass keine Ausbreitung des Lichtes in diesen Schichten stattfindet. Die exponentiell abklingenden elektromagnetischen Fehler werden auch evaneszente Felder genannt.
Um in den Lichtleitern 103₁ bis 103₅ des 3D-Kalibrierkörpers 101 Kalibriermarken darstellen zu können, sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in bestimmten Abständen auf den Schichten 105₁ bis 105₅ dünne Filme 109 aufgebracht. Der Brechungsindex dieser Filme ist dabei so gewählt, dass an diesen Stellen die Totalreflektion unterdrückt wird, so dass eine Lichtausbreitung in die Schichten 104₁ bis 104₅ mit niedrigem Brechungsindex stattfindet. Hierzu weist der Brechungsindex der Filme 109 beispielsweise einen Wert auf, der zwischen dem hohen Brechungsindex der Schichten 105 und dem niedrigen Brechungsindex der Schichten 104 liegt.
Wenn nun Licht in einem der Lichtleiter 103₁ bis 103₅ eingekoppelt wird, wird das Licht an denjenigen Stellen, an denen die Filme 109 aufgebracht sind, aus dem Lichtleiter ausgekoppelt, so dass leuchtende Stellen im Volumen des aus den Schichten 104, 105 aufgebauten transparenten Körpers entstehen, die als Kalibriemarken dienen. Abhängig davon, welche Lichtquelle 107₁ bis 107₅ eingeschaltet ist, entstehen die leuchtenden Stellen in unterschiedlichen Tiefen des transparenten Körpers. Um individuell auswählen zu können, in welcher Tiefe Kalibriermarken dargestellt werden sollen, sind die einzelnen Lichtquellen 107₁ bis 107₅ mittels einer Steuereinrichtung 111 selektiv aktivierbar und deaktivierbar.
In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt das Auskoppeln von Licht aus den Lichtleitern 103 dadurch, dass lokal Filme 109 mit einem geeigneten Brechungsindex auf die Schichten 105 mit dem niedrigen Brechungsindex aufgebracht werden. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, eine Auskoppelung zu erreichen, indem der Auftreffwinkel des Lichtes auf die Grenzfläche zwischen den Schichten 104 und 105 lokal so verändert wird, dass an den entsprechenden Stellen der Grenzwinkel für Totalreflektion unterschritten wird. Eine lokale Veränderung der Auftreffwinkel kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass die Orientierung der Grenzfläche zwischen den Schichten 104 und 105 lokal mittels Laser, mittels Prägens, mittels Bohrens, mittels Ätzens oder mittels anderer geeigneter Strukturierungsverfahren strukturiert wird.
Hinsichtlich der Filme 109, mit denen Hilfe die Auskopplung vorgenommen wird, besteht auch die Möglichkeit, die Auskopplung nicht über die geeignete Wahl eines Brechungsindex zu generieren, sondern dadurch, dass die evaneszenten Felder in den dünnen Filmen eine Emission elektromagnetischer Wellen induzieren, beispielsweise indem sie Floreszenz anregen.
In den beschrieben Ausführungsbeispielen werden Kalibriermarken im Volumen eines transparenten Körpers generiert. Es versteht sich, dass ein solcher Körper in der Regel nicht zu 100 % transparent ist. Auch können Schwankungen in der Transparenz vorliegen. Das Volumen des Kalibrierkörpers soll daher immer dann als transparent angesehen werden, wenn der Michelson-Kontrast im Körper außer an den Stellen, an denen sich die Kalibriermarken befinden, weniger als 0,2, insbesondere weniger als 0,1 beträgt.
Ein Verfahren zum räumlichen Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems 22 wird nachfolgend mit Bezug auf 5 beschrieben. Das Verfahren wird anhand des Kalibrierens eines optischen Abbildungssystems 22 beschrieben, das als mit einer Kamera 23 ausgestattetes Stereomikroskop 25 ausgebildet ist. Für die Kalibrierung findet im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein 3D-Kalibrierkörper 1 Verwendung, wie er mit Bezug auf 1 beschrieben worden ist. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch ein Kalibrierkörper 101, wie er mit Bezug auf 4 beschrieben worden ist, Verwendung finden kann.
Zur Kalibrierung des optischen Abbildungssystems, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel neben der Kamera zumindest noch ein Hauptobjektiv 29 und ein Zoomsystem 27 umfasst, werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel nacheinander Bilder des 3D-Kalibrierkörpers 1 aufgenommen, wobei im 3D-Kalibrierkörper unterschiedliche Anordnungen von Kalibriermarken vorliegen. In 5 ist gezeigt, wie ein Bild von Kalibriermarken aufgenommen wird, die etwa in der Mitte des Kalibrierkörpers in einer sich senkrecht zur optischen Achse des Abbildungssystems erstreckenden Ebene angeordnet sind. Je nach Art der vorzunehmenden Kalibrierung kann dieses Bild zur Durchführung der Kalibrierung bereits ausreichend sein. Bei anderen Kalibrierungsvorgängen werden jedoch zusätzlich Bilder in unterschiedlichen Abständen vom Hauptobjektiv 29 aufgenommen, wobei Kalibriermarken in unterschiedlichen zur optischen Achse des zu kalibrierenden Abbildungssystems senkrechten Ebenen verlaufen. Bei manchen Arten der Kalibrierung kann es zusätzlich oder alternativ erforderlich sein, dass Bilder von Kalibriermarken aufgenommen werden, die in Ebenen angeordnet sind, die nicht senkrecht zur optischen Achse des zu kalibrierenden optischen Abbildungssystems angeordnet sind. In diesem Fall kann beispielsweise eine Konfiguration der Kalibriermarken Verwendung finden, wie sie in 1 dargestellt ist. Ebenso kann eine Konfiguration von Kalibriermarken Verwendung finden, in der die Kalibriermarken auf einer gedachten gekrümmten Fläche statt auf einer ebenen Fläche liegen.
Aus der Position der Kalibriermarken in den mit dem optischen Abbildungssystem aufgenommenen Bildern vom Kalibrierkörper 1 können dann die für die Kalibrierung notwendigen Informationen gewonnen werden und die Kalibrierung kann schließlich anhand eines geeigneten Algorithmus durchgeführt werden.
Wenn eine Kalibrierung in verschiedenen Zoomstufen des Zoomsystems 27 erfolgen soll, ist es vorteilhaft, wenn der Kalibrierkörper 1 in der Lage ist, ein Muster an Kalibriermarken zu generieren, welches eine variable Ortsfrequenz aufweist oder welches selbstähnlich ist. Insbesondere können Muster an Kalibrierpunkten Verwendung finden, wie sie mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben worden sind.
Obwohl in dem mit Bezug auf 5 beschriebenen Beispiel für eine Kalibrierung eines optischen Abbildungssystems eine 3D-Kalibrierung beschrieben ist, kann auch eine 2D-Kalibrierung mit unterschiedlichen Zoomeinstellungen erfolgen. In diesem Fall kann statt eines 3D-Kalibrierkörpers ein flächiges Kalibrierelement Verwendung finden, welches ein Muster von Kalibriermarken aufweist, deren Ortsfrequenz sich innerhalb des flächigen Kalibrierelements ändert, wie dies beispielhaft in 2 dargestellt ist. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass das verwendete flächige Kalibrierelement mit einem Muster von Kalibriermarken versehen ist, die eine selbstähnliche Verteilung aufweisen, wie dies beispielhaft in 3 dargestellt ist. Falls ein flächiges Kalibrierelement Verwendung findet, braucht dieses selbstverständlich nicht transparent zu sein. Die Kalibriermarken können dann bspw. auch auf das flächige Kalibrierelement aufgedruckt sein.
Die vorliegende Erfindung wurde zu Erläuterungszwecken anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Ein Fachmann erkennt jedoch, dass er von Details dieser Ausführungsbeispiele abweichen kann. Beispielsweise können im Kalibrierkörper 1 des in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels statt transparenter LCD-Displays auch transparente TFT-Displays Verwendung finden. Zudem besteht grundsätzlich die Möglichkeit, selbstleuchtende Displays, etwa LED-Displays oder OLED-Displays zu verwenden. Das Beleuchtungspanel und der Diffusor können dann entfallen. Es sei an dieser Stelle auch noch einmal darauf hingewiesen, dass die Anzahl an Schichten der 3D-Kalibrierkörper und/oder die Anzahl an Pixeln in den Schichten nicht der Anzahl der in den Figuren dargestellten Schichten bzw. der Anzahl der in den Figuren dargestellten Pixeln zu entsprechen braucht. Insbesondere kann auch eine sehr hohe Anzahl an Schichten und/oder eine sehr hohe Anzahl an Pixeln vorhanden sein, so lange dadurch die Transparenz des Volumens des 3D-Kalibrierkörpers nicht zu sehr reduziert wird. Insbesondere müssen die untersten Schichten des 3D-Kalibrierkörpers durch die darüber liegenden Schichten hindurch hinreichend sichtbar sein.
Hinsichtlich des mit Bezug auf 5 beschriebenen Ausführungsbeispiels sei darauf hingewiesen, dass die Filme zum Herbeiführen einer Auskopplung der Erkennbarkeit in der Figur wegen erheblich größer dargestellt sind, als sie in einem realen Kalibrierkörper tatsächlich sind. In einem realen Kalibrierkörper ist es für die Güte der Kalibrierung maßgeblich, dass die unteren Strukturen nicht durch obere abgedeckt werden. Zwar kann dies bei telezentrischen Abbildungssystemen durch einen seitlichen Versatz unterer Strukturen gegenüber darüber liegenden Strukturen erreicht werden, bei nicht telezentrischen Systemen wird dies jedoch nicht ausreichen. Wenn die Größe der einzelnen Strukturen, mit deren Hilfe die Auskopplung des Lichtes aus den Lichtleitern erfolgt, gering gehalten werden kann, so kann eine Überdeckung bei versetzt angeordneten Kalibriermarken in den unterschiedlichen Ebenen der Lichtleiter mit geringstmöglicher Überdeckung tiefer liegender Kalibriermarken durch darüber liegende Kalibriermarken erreicht werden. Da zum Auskoppeln des Lichtes aus dem Lichtleiter grundsätzlich infinitesimale Filme bzw. infinitesimale Bereiche mit einem zum Auskoppeln geeigneten Auftreffwinkel an den Grenzflächen zwischen den Schichten mit hohem und niedrigen Brechungsindex ausreichen, können die Filme bzw. die eingebrachten Strukturen sehr klein gehalten werden. Eine Überdeckung lässt sich dadurch so weitgehend vermeiden, dass auch mehrere Ebenen von Kalibriermarken gleichzeitig Verwendung finden können.
Mit Bezug auf die selbstähnliche Verteilung von Kalibriermarken in 3 sei darauf hingewiesen, dass das Muster aus anderen geometrischen Formen als quadratischen Flächen aufgebaut sein kann, etwa aus anderen Polygonflächen wie etwa Dreieckflächen oder Sechseckflächen. Auch unregelmäßige Strukturen sind grundsätzlich denkbar.
Da für einen Fachmann erkennbar von den einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispielen abgewichen werden kann, soll die vorliegende Erfindung nicht durch die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.
Bezugszeichenliste

1: Kalibrierkörper
3: transparentes Display
5: Steuerung
7: transparentes Pixel
9: intransparentes Pixel
11: Beleuchtungspanel
13: Lichtquelle
15: Diffusor
16: Muster
17: Muster
19: Kalibriermarke
21: transparenter Bereich
22: optisches Abbildungssystem
23: Kamera
25: Hauptobjektiv
27: Zoom system
101: Kalibrierkörper
103: Lichtleiter
104: Schicht mit hohem Brechungsindex
105: Schicht mit niedrigem Brechungsindex
107: Lichtquelle
109: Film
111: Steuereinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2004004762 A1 [0002]
US 5442674 [0004]

Claims

3D-Kalibierkörper (1, 101) zum räumlichen Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems (22) mit einem transparenten Körper und im Volumen des transparenten Körpers (3₁-3₉, 104₁-104₆, 105₁-105₅) eingebetteten Kalibriermarken (9, 109), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der Kalibriermarken (9, 109) selektiv aktivierbar und deaktivierbar sind, wobei eine aktivierte Kalibiermarke (9, 109) im sichtbaren Spektralbereich sichtbar und eine deaktivierte Kalibriermarke (9, 109) im sichtbaren Spektralbereich nicht sichtbar ist.
3D-Kalibierkörper (1, 101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kalibriermarken (9, 109) in unterschiedlichen Ebenen des transparenten Körpers (3₁-3₉, 104₁-104₆, 105₁-105₅) selektiv aktivierbar und deaktivierbar sind.
3D-Kalibierkörper (1,101) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, die Kalibiermarken (9, 109) zu wenigstens zwei Gruppen von Kalibiermarken zusammengefasst sind und wenigstens eine der Gruppen von Kalibiermarken (9, 109) aktivierbar und deaktivierbar ist.
3D-Kalibierkörper (1, 101) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibiermarken (9, 109) einer Gruppe von Kalibriermarken innerhalb einer Ebene im transparenten Körper (3₁-3₉, 104₁-104₆, 105₁-105₅) angeordnet sind.
3D-Kalibierkörper (1, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der transparente Körper aus einem Stapel von Schichten (3₁-3₉, 104₁-104₆, 105₁-105₅) aufgebaut ist und die Kalibriermarken (9, 109) in einzelnen Schichten (3₁-3₉, 104₁-104₆, 105₁-105₅) des Stapels angeordnet sind.
3D-Kalibierkörper (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Schichten des Stapels von Schichten durch ein transparentes Display (3₁-3₉) gebildet ist, die selektiv aktivierbaren und deaktivierbaren Kalibriermarken (9) auf dem Display (3₁-3₉) darstellbare Strukturen sind.
3D-Kalibierkörper (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Hintergrundbeleuchtungsanordnung (11, 13, 15) für die wenigstens eine als transparentes Display (3₁-3₉) ausgebildete Schicht umfasst.
3D-Kalibierkörper (101) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass - die Schichten (104₁-104₆, 105₁-105₅) flächige Lichtleiter (103₁-103₅) bilden, wobei die Lichtleiter (103₁-103₅) jeweils derart ausgestaltet sind, dass an ihren Grenzflächen evaneszente Felder des in den Lichtleitern (103₁-103₅) geleiteten Lichtes auftreten, - die Kalibriermarken (109) durch Strukturen an den Grenzflächen der Lichtleiter (103₁-103₅) gebildet sind, an denen die evaneszenten Felder in Form von sich ausbreitenden elektromagnetischen Wellen aus dem jeweiligen Lichtleiter (103₁-103₅) ausgekoppelt werden, und - eine Einkopplevorrichtung (107₁-107₅, 111) zum Einkoppeln von Licht in die flächigen Lichtleiter (103₁-103₅) vorhanden ist, wobei die Einkopplevorrichtung (107₁-107₅, 111) es ermöglicht, das Einkoppeln von Licht in einzelne der Lichtleiter (103₁-103₅) ein- und auszuschalten.
3D-Kalibierkörper (101) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den Grenzflächen der flächigen Lichtleiter (103₁-103₅) eine Totalreflektion des in die Lichtleiter (103₁-103₅) eingekoppelten Lichtes stattfindet und dass die Kalibriermarken (109) durch lokale Strukturen an den Grenzflächen der Lichtleiter (103₁-103₅) gebildet sind, an denen eine Umwandlung der evaneszenten Felder in ausbreitungsfähige elektromagnetische Wellen stattfindet.
3D-Kalibierkörper (1. 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die Anordnung von Kalibriermarken (9, 109) eine Verteilung der Kalibriemarken (9, 109) im transparenten Körper (3₁-3₉, 104₁-104₆, 105₁-105₅) aufweist, deren Ortsfrequenz sich innerhalb des transparenten Körpers (3₁-3₉, 104₁-104₆, 105₁-105₅) ändert, oder die Anordnung von Kalibriemarken (9, 109) eine selbstähnliche Verteilung der Kalibriemarken im transparenten Körper aufweist.
3D-Kalibierkörper (1, 101) nach Anspruch 10 und einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Kalibriemarken (9, 109) im transparenten Körper durch Muster von Kalibriermarken (9, 109) gebildet ist, die in den Schichten (3₁-3₉, 104₁-104₆, 105₁-105₅) des Stapels von Schichten (3₁-3₉, 104₁-104₆, 105₁-105₅) angeordnet sind, wobei die Muster von Kalibriemarken (9, 109) jeweils eine Verteilung der Kalibriemarken (9, 109) innerhalb der jeweiligen Schicht (3₁-3₉, 104₁-104₆, 105₁-105₅) aufweisen, deren Ortsfrequenz sich innerhalb der Schicht ändert, oder die Muster eine selbstähnliche Verteilung der Kalibriemarken (9, 109) aufweisen.
3D-Kalibierkörper (1, 101) nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich Ortsfrequenz vom Zentrum des transparenten Körpers (3₁-3₉, 104₁-104₆, 105₁-105₅) zu seinem Rand hin verringert.
3D-Kalibierkörper (1, 101) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich mit der Ortsfrequenz auch die Ausdehnung der jeweiligen Kalibrierelemente (9, 109) ändert.
3D-Kalibierkörper (1, 101) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der jeweiligen Kalibrierelemente (9, 109) vom Zentrum des transparenten Körpers (3₁-3₉, 104₁-104₆, 105₁-105₅) zu seinem Rand hin größer wird.
Verfahren zum räumlichen Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems (22), in dem eine Anordnung von Kalibriermarken (9, 109) in verschiedenen Abständen und/oder verschiedenen Kippwinkeln des optischen Abbildungssystems relativ zu der Anordnung von Kalibriermarken (9, 109) aufgenommen wird, um eine räumliche Information zu gewinnen und die Kalibrierung anhand der gewonnenen räumlichen Information durchgeführt wird, wobei ein 3D-Kalibrierkörper (1, 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche Verwendung findet, und die Anordnung von Kalibriermarken (9, 109) durch die Kalibriermarken des 3D-Kalibrierkörpers gebildet wird.
Kalibrierelement (1, 101) zum Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems (22) mit einer Muster von Kalibriermarken (9, 109), dadurch gekennzeichnet, dass das Muster von Kalibriemarken (9, 109) eine Verteilung der Kalibriemarken (9, 109) aufweist, deren Ortsfrequenz sich innerhalb des Kalibrierelements (1, 101) ändert, oder das Muster von Kalibriemarken (9, 109) eine selbstähnliche Verteilung der Kalibriemarken (9, 109) aufweist.
Kalibrierelement (1, 101) nach Anspruch 16, in dem sich Ortsfrequenz vom Zentrum des Kalibrierelements (1, 101) zu seinem Rand hin verringert.
Kalibrierelement (1, 101) nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich mit der Ortsfrequenz auch die Ausdehnung der jeweiligen Kalibriermarken (9, 109) ändert.
Kalibrierelement (1, 101) nach Anspruch 18, in dem die Ausdehnung der jeweiligen Kalibriermarken (9, 109) vom Zentrum des Kalibrierelements (1, 101) zu seinem Rand hin größer wird.
Kalibrierelement (1, 101) nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es ein zweites Muster von Kalibriemarken (9, 109) aufweist, in dem die Kalibriermarken (1, 109) eine konstante Ortsfrequenz und eine konstante Größe aufweisen.
Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Abbildungssystems (22) mit verschiedenen Zoomstufen, in dem zumindest ein Bild von einem Muster von Kalibriermarken (9, 109) in wenigstens einer Zoomstufe des optischen Abbildungssystems (22) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kalibrierelement (1, 101) nach einem der Ansprüche 16 bis 20 Verwendung findet, und das Muster von Kalibriermarken (9, 109) durch die Kalibriermarken (9, 109) des Kalibrierelements (1, 101) gebildet wird.