DE102018124496A1

DE102018124496A1 - Optisches Beobachtungssystem und Verfahren zum Betreiben eines optischen Beobachtungssystems

Info

Publication number: DE102018124496A1
Application number: DE102018124496.7A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Köhler
Original assignee: Karl Storz SE and Co KG
Current assignee: Karl Storz SE and Co KG
Priority date: 2018-10-04
Filing date: 2018-10-04
Publication date: 2020-04-09
Also published as: US20200112683A1; US10868964B2

Abstract

Ein erfindungsgemäßes optisches Beobachtungssystem (1) umfasst eine optische Beobachtungsvorrichtung, insbesondere ein Endoskop oder ein Exoskop (2), mit einer Abbildungsoptik und einem elektronischen Bildaufnehmer, wobei die Abbildungsoptik zum Abbilden eines Objektfelds (3) auf dem elektronischen Bildaufnehmer mit einem veränderbaren Abbildungsmaßstab und der elektronische Bildaufnehmer zum Erzeugen von Aufnahme-Bilddaten des Objektfelds (3) ausgebildet ist, eine Bildanzeigevorrichtung zur Darstellung zumindest eines Ausschnitts des Objektfelds (3) und eine Bildverarbeitungsvorrichtung (20), die zum Erzeugen von Anzeige-Bilddaten durch Skalierung der Aufnahme-Bilddaten mit einem veränderbaren Skalierungsfaktor und zum Ansteuern der Bildanzeigevorrichtung mit den Anzeige-Bilddaten eingerichtet ist. Erfindungsgemäß ist der Abbildungsmaßstab in einer Mehrzahl von Stufen veränderbar und der Skalierungsfaktor kontinuierlich veränderbar, wobei der Skalierungsfaktor derart mit dem optischen Abbildungsmaßstab gekoppelt ist, dass bei einer Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs der Skalierungsfaktor entgegengesetzt geändert wird. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Beobachtungssystems (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Beobachtungssystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit einer optischen Beobachtungsvorrichtung, insbesondere einem Endoskop oder einem Exoskop, einer Bildanzeigevorrichtung und einer Bildverarbeitungsvorrichtung. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Beobachtungssystems.
Für eine Vielzahl von Anwendungen in Medizin und Technik werden heute Endoskope verwendet. Ein Endoskop umfasst typischerweise einen starren oder flexiblen lang erstreckten Schaft, der zur Einführung in einen Hohlraum geeignet ist, und in dessen distalem, d.h. beobachterfernen Endbereich ein Objektiv zur Erzeugung eines Bildes eines in dem Hohlraum befindlichen Objektfelds angeordnet ist. Zur Aufnahme und Weiterleitung des endoskopischen Bildes vom distalen Ende des Endoskops zum proximalen, d.h. beobachternahen Ende können ein elektronischer Bildaufnehmer, beispielsweise ein CCD-Bildsensor, im Bereich des distalen Endes des Schafts und elektrische Leitungen innerhalb des Schafts vorgesehen sein. Alternativ kann im Schaft ein Bildweiterleiter angeordnet sein, der eine Mehrzahl von Relaislinsensystemen oder ein geordnetes Bündel von Lichtleitfasern umfasst, und der das vom Objektiv erzeugte Bild zum proximalen Endbereich des Endoskops weiterleitet, wo ein elektronischer Bildaufnehmer angeordnet sein kann und/oder eine Videokamera mit einem elektronischen Bildaufnehmer anschließbar ist.
Weiterhin ist eine Vorrichtung zum Beobachten und Beleuchten eines Objektfelds an einem Patienten von einer Stelle abseits des Körpers des Patienten bekannt, die am distalen Ende eines Schafts ein Kopfteil mit einer Beleuchtung zum Ausleuchten und einem Objektiv zum Erzeugen eines Bilds des Objektfelds aufweist. Das vom Objektiv entworfene Bild kann von einem im Kopfteil angeordneten elektronischen Bildaufnehmer aufgenommen werden oder auch beispielsweise zu einem am proximalen Ende des Schafts angeordneten Bildaufnehmer weitergeleitet werden. Eine derartige Vorrichtung, die in vielen Aspekten ähnlich einem Endoskop aufgebaut ist und die die Beobachtung eines Operationsfelds bei einer chirurgischen Operation aus einem Arbeitsabstand im Bereich von typischerweise etwa 20 bis 75 cm ermöglicht, wird als „Exoskop“ bezeichnet und ist beispielsweise in EP 2 850 996 A1 und in EP 3 073 307 A1 beschrieben, welche Dokumente diesbezüglich durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen werden. Exoskope der genannten Art werden von der KARL STORZ SE & Co. KG unter der Bezeichnung VITOM ® angeboten.
Das vom distal oder proximal angeordneten elektronischen Bildaufnehmer aufgenommene Bild kann von einer am proximalen Ende des Endoskops bzw. des Exoskops anschließbaren Bildverarbeitungsvorrichtung ausgewertet, auf einer Bildanzeigevorrichtung wie etwa einem Monitor für einen Benutzer und/oder weitere Personen dargestellt und/oder beispielsweise für Dokumentationszwecke gespeichert werden. Häufig ist es wünschenswert, ein vergrößertes Bild zumindest eines interessierenden Ausschnitts des mit dem Endoskop oder Exoskop beobachteten Objektfelds auf dem Monitor anzuzeigen, um dem Benutzer zu ermöglichen, zusätzliche Details in dem interessierenden Ausschnitt zu erkennen. Dabei ist es besonders wünschenswert, einen Vergrößerungsfaktor des angezeigten Bilds stufenlos, d.h. kontinuierlich verändern zu können.
Aus US 7,477,297 B2 ist eine Zoom-Vorrichtung für die digitale Bildverarbeitung bekannt, die ein optisches Zoom-Linsensystem mit einem kontinuierlichen Zoombereich umfasst, einen Bildsensor zum Aufnehmen des von dem optischen Zoom-Linsensystem erzeugten Bilds und eine digitale Zoom-Einrichtung, um eine von mindestens zwei diskreten Vergrö-ßerungsstufen auf die digitale Darstellung des aufgenommenen Bilds anzuwenden. Die gesamte Vergrößerung ist das Produkt der diskreten digitalen Zoom-Stufe und der Vergrößerung des optischen Zooms, wobei eine digitale Interpolation in einem Übergangszeitraum zwischen zwei diskreten Zoom-Stufen erfolgt.
Gemäß US 7,794,396 B2 werden von einer chirurgischen Kamera erzeugte Videobilder mittels Bildanalysealgorithmen auf das Vorhandensein definierter Mustern, Farben, Bewegungen usw. analysiert, die ein definiertes chirurgisches Instrument oder anatomisches Merkmal darstellen. Ist ein chirurgisches Instrument oder anatomisches Merkmal detektiert worden, kann das System automatisch den tatsächlichen oder effektiven Brennweitenbereich der chirurgischen Kamera anpassen und somit die Vergrößerung bzw. die Zoom-Stufe der Kamera verändern.
In EP 2 656 776 B1 ist ein Endoskopsystem offenbart, das eine Zoom-Linse in einem optischen System, ein fotoelektrisches Umwandlungselement und ein elektronisches Zoom-Mittel umfasst, wobei Kantenkomponenten in dem mit dem fotoelektrischen Umwandlungselement aufgenommenen Bild erfasst werden und dadurch ein Konturverstärkungssignal erzeugt wird und wobei eine elektronische Zoom-Region in dem aufgenommenen Bild auf der Grundlage einer Stärke des Konturverstärkungssignals bestimmt wird. Dabei ist eine Anzahl von elektronischen Zoom-Skalierungsfaktoren vorgegeben.
Optische Zoom-Linsensysteme sind konstruktionsbedingt sehr aufwändig und teuer. Ferner ist eine zunehmende Vergrößerung bei einem optischen Zoom prinzipiell mit einer Verringerung der Bildhelligkeit verbunden; eine Vergrößerung der Bildhelligkeit erfordert entsprechend größere Linsen, was zu einer insbesondere bei Endoskopen und Exoskopen unerwünschten Vergrößerung der Dimensionen und des Gewichts des optischen Systems führen würde. Ein digitaler Zoom ist andererseits oft mit einer Verschlechterung der Bildqualität verbunden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Beobachtungssystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Beobachtungssystems anzugeben, wobei die oben genannten Nachteile möglichst vermieden werden, insbesondere wobei ein stufenloser Zoom-Effekt in einem gegebenen Zoom-Bereich mit einem weniger aufwändigen optischen System erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäßes optisches Beobachtungssystem umfasst eine optische Beobachtungsvorrichtung, die eine Abbildungsoptik und einen elektronischen Bildaufnehmer aufweist. Die Abbildungsoptik ist zum Abbilden eines Objektfelds auf dem elektronischen Bildaufnehmer mit einem veränderbaren Abbildungsmaßstab ausgebildet. Das Objektfeld ist insbesondere ein Objektfeld an oder in einem menschlichen oder tierischen Körper. Die optische Beobachtungsvorrichtung kann beispielsweise als Exoskop oder als Endoskop ausgebildet sein. Insbesondere ist die optische Beobachtungsvorrichtung eine medizinische Beobachtungsvorrichtung, beispielsweise ein medizinisches Exoskop oder ein medizinisches Endoskop. Die optische Beobachtungsvorrichtung kann aber auch für nichtmedizinische Anwendungen bestimmt sein und etwa zur Beobachtung eines technischen Gegenstands ausgebildet sein, wobei das Objektfeld ein Objektfeld in oder an dem technischen Gegenstand sein kann. Unter „optisch“ wird hier insbesondere der Spektralbereich des sichtbaren Lichts verstanden, wobei jedoch auch der infrarote und/oder der ultraviolette Spektralbereich umfasst sein können.
Die Abbildungsoptik ist derart ausgebildet und angeordnet, dass das Objektfeld auf einer aktiven Fläche des elektronischen Bildaufnehmers mit einem veränderbaren Abbildungsmaßstab abgebildet wird. Der Abbildungsmaßstab, der hier auch als „optischer Abbildungsmaßstab“ bezeichnet wird, kann größer als 1 sein, was einer vergrößerten Abbildung entspricht, kleiner als 1, was einer Verkleinerung entspricht oder auch gleich 1, was einer Abbildung des Objektfelds in unveränderter Größe entspricht.
Der elektronische Bildaufnehmer ist zum Erzeugen von Aufnahme-Bilddaten des abgebildeten Objektfelds ausgebildet. Der elektronische Bildaufnehmer kann beispielsweise ein CCD-Bildsensor sein. Die Aufnahme-Bilddaten repräsentieren das von der Abbildungsoptik auf der aktiven Fläche des elektronischen Bildaufnehmers erzeugte Bild des Objektfelds, das gemäß dem optischen Abbildungsmaßstab vergrößert, verkleinert oder auch im gleichen Maßstab abgebildet sein kann. Die aktive Fläche des elektronischen Bildaufnehmers weist eine Anzahl n₁ von Pixeln auf. Die Aufnahme-Bilddaten stellen somit die Bilddaten der n₁ Pixel dar.
Das optische Beobachtungssystem umfasst weiterhin eine Bildanzeigevorrichtung zur Darstellung zumindest eines Ausschnitts des Objektfelds für einen Benutzer sowie ggf. für weitere Personen. Die Bildanzeigevorrichtung kann beispielsweise ein Bildschirm (Monitor), ein Projektor (Beamer) oder auch etwa eine Videobrille (Head-mounted Display) sein. Vorzugsweise erlaubt die Bildanzeigevorrichtung eine Anzeige eines aktuell aufgenommenen Bilds, anhand dessen der Benutzer die optische Beobachtungsvorrichtung bedienen und beispielsweise zu einem gewünschten Objektfeld oder zu einem interessierenden Bereich des Obj ektfelds bewegen kann.
Weiter umfasst das optische Beobachtungssystem eine Bildverarbeitungsvorrichtung, die zum Erzeugen von Anzeige-Bilddaten aus den Aufnahme-Bilddaten und zum Ansteuern der Bildanzeigevorrichtung zur Darstellung zumindest eines Ausschnitts des Objektfelds ausgebildet ist. Hierfür ist die Bildverarbeitungsvorrichtung mit dem elektronischen Bildaufnehmer und der Bildanzeigevorrichtung verbunden. Die Bildverarbeitungsvorrichtung ist zum Skalieren der Aufnahme-Bilddaten mit einem veränderbaren Skalierungsfaktor eingerichtet. Verfahren zur Skalierung von Bilddaten sind in der digitalen Bildverarbeitung an sich bekannt, beispielsweise mittels Interpolation, Pixelwiederholung oder anderen Rekonstruktionsfiltern. Die von der Bildverarbeitungsvorrichtung durchgeführte Skalierung wird hier auch als „elektronische Skalierung“ oder „digitaler Zoom“ bezeichnet. Der veränderbare Skalierungsfaktor, der auch als „elektronischer Skalierungsfaktor“ bezeichnet wird, kann größer als 1, kleiner als 1 oder auch gleich 1 sein. Durch eine Skalierung mit einem Skalierungsfaktor, der größer als 1 ist, werden die Aufnahme-Bilddaten, die den aufgenommenen Bilddaten einer Anzahl n₂ von Pixeln des elektronischen Bildaufnehmers entsprechen, zur Anzeige auf einer Anzahl n₃ von Pixeln der Bildanzeigevorrichtung umgewandelt und als Anzeige-Bilddaten für die Anzeige auf der Bildanzeigevorrichtung bereitgestellt. Dabei bezeichnet n₂ die Anzahl von Pixeln des Bildaufnehmers, auf denen das von der Abbildungsoptik entworfene Bild des Objektfelds oder ein auf der Bildanzeigevorrichtung anzuzeigender Ausschnitt desselben abgebildet ist, d.h. n₂ ≤ n₁ . Die Pixelzahl n₃ bezeichnet insbesondere eine gesamte Pixelzahl der Bildanzeigevorrichtung oder die Anzahl der Pixel, die für die Anzeige des Objektfelds bzw. des anzuzeigenden Ausschnitts genutzt werden.
Die Bildverarbeitungsvorrichtung kann zur Durchführung weiterer Schritte ausgebildet sein, etwa zur Speicherung von Bilddaten, zur Steuerung der optischen Beobachtungsvorrichtung und/oder der Bildanzeigevorrichtung und/oder zum Auswählen des anzuzeigenden Ausschnitts des vom elektronischen Bildaufnehmer aufgenommenen Bilds. Hierfür können die optische Beobachtungsvorrichtung, die Bildverarbeitungsvorrichtung und/oder die Bildanzeigevorrichtung entsprechende Bedienelemente zur Betätigung durch den Benutzer aufweisen oder mit einer entsprechenden Bedienvorrichtung verbunden sein. Die Skalierung kann beispielsweise wie in DE 10 2015 121 017 A1 beschrieben durchgeführt und mit einer Bedienvorrichtung gesteuert werden, welches Dokument diesbezüglich durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Ist der Skalierungsfaktor kleiner als 1, so ist n₃ < n₂ , d.h. die Bilddaten der n₂ Pixel des Bildaufnehmers, die dem anzuzeigenden Ausschnitt entsprechen, werden zur Anzeige auf einer geringeren Zahl n₃ von Pixeln der Bildanzeigevorrichtung bereitgestellt. Hierbei gehen in der Regel Bildinformationen verloren, jedoch tritt gegenüber dem Fall, dass die Anzeige auf der gleichen Anzahl von Pixeln erfolgt wie die Aufnahme (n₃ = n₂), typischerweise kein sichtbarer Qualitätsverlust des angezeigten Bilds ein, insbesondere kein Verlust an Schärfe. Ist der Skalierungsfaktor größer als 1, d.h. n₃ > n₂, so werden die Bilddaten des Ausschnitts zur Anzeige auf einer Anzahl n₃ von Pixeln der Bildanzeigevorrichtung bereitgestellt, die größer als die Anzahl der Pixel n₂ des elektronischen Bildaufnehmers ist, auf denen der darzustellende Ausschnitt des Objektfelds abgebildet wird, oder sogar größer als die Anzahl n₁ der Pixel der aktiven Fläche des elektronischen Bildaufnehmers. Hierbei kann, beispielsweise durch Interpolation zwischen benachbarten Pixeln, jedoch abhängig vom verwendetem Skalierungsverfahren, das angezeigte Bild unschärfer werden.
Das auf der Bildanzeigevorrichtung dargestellte Bild des Objektfelds weist somit einen Abbildungsmaßstab auf, der vom optischen Abbildungsmaßstab und dem Skalierungsfaktor abhängt. Im Folgenden wird als „Gesamt-Zoomfaktor“ das Produkt aus dem optischen Abbildungsmaßstab und dem elektronischen Skalierungsfaktor bezeichnet. Eine Gesamtvergrößerung des dargestellten Bilds ist durch den Gesamt-Zoomfaktor sowie ggf. durch weitere Faktoren gegeben, die insbesondere durch die Pixelgröße des elektronischen Bildaufnehmers und der Bildanzeigevorrichtung bestimmt sein können. Dabei kann der Begriff „Vergrößerung“ auch eine Verkleinerung umfassen, wobei in diesem Fall der Vergrößerungsfaktor kleiner als 1 ist. Insbesondere bei chirurgischen Anwendungen ist es oft wünschenswert, dass ein Vergrößerungsfaktor erreichbar ist, der größer als 1 ist, d.h. wobei die Darstellung des angezeigten Ausschnitts auf der Bildanzeigevorrichtung größer ist als die reale Größe des betreffenden Ausschnitts des Objektfelds.
Erfindungsgemäß ist der optische Abbildungsmaßstab stufenweise bzw. in diskreten Schritten veränderbar, wobei mindestens zwei unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe vorgesehen sind. Die Abbildungsoptik ist somit derart ausgebildet, das auf dem elektronischen Bildaufnehmer ein Bild des Objektfelds in mehreren, nämlich mindestens zwei unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben erzeugt werden kann, wobei die unterschiedlichen Abbildungsmaßstäbe sich um einen Stufenbetrag unterscheiden, der von Null verschieden ist und insbesondere mindestens etwa 10%, vorzugsweise mindestens etwa 50%, beispielsweise etwa 100% des jeweils niedrigeren Abbildungsmaßstabs an der jeweiligen Stufe beträgt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß der elektronische Skalierungsfaktor kontinuierlich veränderbar. Mit dem Ausdruck „kontinuierlich“ kann auch eine quasi-kontinuierliche Veränderung umfasst sein, die in diskreten Schritten erfolgt, die jedoch klein genug sind, so dass sie von einem Benutzer nicht wahrgenommen werden können. So wird beispielsweise eine Veränderung des Skalierungsfaktors in diskreten Schritten, die einer Veränderung der Größe des auf der Bildanzeigevorrichtung angezeigten Bildausschnitts um weniger als Pixel entsprechen, hier ebenfalls als „kontinuierlich“ bezeichnet. Auch eine derartige kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Skalierung ist an sich bekannt.
Erfindungsgemäß ist ferner der Skalierungsfaktor derart mit dem optischen Abbildungsmaßstab gekoppelt, dass bei einer Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs der Skalierungsfaktor entgegengesetzt geändert wird. Insbesondere ist die Bildverarbeitungsvorrichtung derart eingerichtet, dass automatisch jeweils eine entgegengesetzte Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs und des Skalierungsfaktors erfolgt. Es kann auch eine Steuerungseinrichtung vorgesehen sein, die zur entsprechenden Steuerung der optischen Beobachtungsvorrichtung und der Bildverarbeitungsvorrichtung eingerichtet ist.
Dadurch, dass bei einer Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs der Skalierungsfaktor der elektronischen Skalierung in entgegengesetzter Weise wie der optische Abbildungsmaßstab geändert wird, kann erreicht werden, dass bei einem stufenweisen Wechsel des Abbildungsmaßstabs die Gesamtvergrößerung des auf der Bildanzeigevorrichtung dargestellten Bilds sich nicht oder jedenfalls in geringerem Maße verändert, als es der Veränderung des Abbildungsmaßstabs entspricht. Es wird somit ermöglicht, dass sich trotz der stufenweisen Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs die Vergrößerung oder Verkleinerung der Darstellung des Objektfelds auf der Bildanzeigevorrichtung nicht oder nur wenig verändert, wodurch für einen Benutzer oder einen anderen Betrachter des angezeigten Bilds die Orientierung innerhalb des Bilds erleichtert wird. Es kann somit mit einer einfachen, kostengünstigen und raumsparenden Abbildungsoptik eine in kleineren Stufen veränderbare Vergrößerung erreicht werden. Hierdurch kann eine verbesserte Erkennung von Details im Objektfeld ermöglicht werden, wobei zudem ausgenutzt werden kann, dass sich die Bildhelligkeit durch die elektronische Skalierung nicht verändert, was insbesondere bei Anwendungen mit geringer Bildhelligkeit, etwa bei der Fluoreszenzbildgebung, eine Verbesserung des Signal-Rauschabstands ermöglicht. Da hierbei ein Wechsel des optischen Abbildungsmaßstabs und eine elektronische Skalierung bzw. ein digitaler Zoom kombiniert werden, kann ein derartiger Zoom auch als „Hybridzoom“ bezeichnet werden.
Vorzugsweise ist die Bildverarbeitungsvorrichtung derart eingerichtet, dass bei einer Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs der elektronische Skalierungsfaktor automatisch derart geändert wird, dass bei dem Wechsel des optischen Abbildungsmaßstabs das Produkt aus dem optischen Abbildungsmaßstab und dem elektronischen Skalierungsfaktor zumindest näherungsweise unverändert ist. Insbesondere wird der elektronische Skalierungsfaktor genau im umgekehrten Verhältnis wie der optische Abbildungsmaßstab geändert oder soweit dem umgekehrten Verhältnis entsprechend geändert, dass eine Veränderung des Gesamt-Zoomfaktors dabei nicht wahrnehmbar ist. Bei der stufenweisen Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs bleibt somit die Gesamtvergrößerung momentan konstant. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Darstellung des Objektfelds auf der Bildanzeigevorrichtung trotz eines Wechsels des optischen Abbildungsmaßstabs im Wesentlichen unverändert ist. Dabei kann vor und/oder nach dem Wechsel des optischen Abbildungsmaßstabs eine weitere Veränderung des elektronischen Skalierungsfaktors erfolgen, etwa bei einem kontinuierlichen Herein- oder Heraus-Zoomen. Bei einer kontinuierlichen Veränderung des Skalierungsfaktors bei einem Zoomvorgang kann somit ein Wechsel der optischen Vergrößerung vorgenommen werden, ohne dass der Zoomvorgang erkennbar diskontinuierlich wird. Dabei kann eine Unterbrechung des Zoomvorgangs, während welcher die Gesamtvergrößerung vorzugsweise konstant bleibt, für eine etwa zum Herein- oder Herausschwenken von optischen Elementen notwendige Zeitspanne in Kauf genommen werden; während dieser Zeitspanne kann beispielsweise das angezeigte Bild wiederholt werden.
Insbesondere kann die Bildverarbeitungsvorrichtung derart eingerichtet sein, dass beim Herein-Zoomen in einen Ausschnitt des Objektfelds, also bei einer kontinuierlich zunehmenden Gesamtvergrößerung, der elektronische Skalierungsfaktor zunächst kontinuierlich vergrößert wird, in mindestens einem Übergangsbereich der optische Abbildungsmaßstab vergrößert und zumindest näherungsweise gleichzeitig der elektronische Skalierungsfaktor derart verringert wird, dass die Gesamtvergrößerung dabei unverändert bleibt, und sodann der elektronische Skalierungsfaktor wieder kontinuierlich vergrößert wird. Weiter kann die Bildverarbeitungsvorrichtung derart eingerichtet sein, dass beim Heraus-Zoomen aus einem Ausschnitt des Objektfelds, also bei einer kontinuierlich abnehmenden Gesamtvergrößerung, der elektronische Skalierungsfaktor zunächst kontinuierlich verringert wird, in dem mindestens einen Übergangsbereich der optische Abbildungsmaßstab verringert und zumindest näherungsweise gleichzeitig der elektronische Skalierungsfaktor derart vergrößert wird, dass die Gesamtvergrößerung unverändert bleibt, und sodann der elektronische Skalierungsfaktor wieder kontinuierlich verringert wird. Hierdurch kann trotz der lediglich stufenförmigen, diskontinuierlichen Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs, wofür eine einfach aufgebaute Abbildungsoptik ausreichend ist, ein kontinuierlicher Zoomeffekt beim Herein- bzw. Heraus-Zoomen erreicht werden.
Zur Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs kann es in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass ein oder mehrere optische Elemente in einen Strahlengang der Abbildungsoptik einbringbar oder aus dem Strahlengang entfernbar sind, beispielsweise durch Ein- bzw. Ausschwenken oder Herein- bzw. Herausschieben. Das Ein- und Ausschwenken kann beispielsweise mit einem Mechanismus erfolgen, wie dieser in EP 3 073 307 A1 für das Ein- und Ausschwenken eines Filters offenbart ist; das genannte Dokument wird diesbezüglich durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. Alternativ oder zusätzlich können zur Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs ein oder mehrere optische Elemente im Strahlengang der Abbildungsoptik axial verschiebbar sein, beispielsweise in an sich bekannter Weise wie bei einer Zoom-Optik, die jedoch lediglich für eine Mehrzahl diskreter unterschiedlicher Vergrößerungen ausgestaltet zu sein braucht. Weiter alternativ oder zusätzlich kann eine Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs durch ein oder mehrere verformbare optische Elemente im Strahlengang der Abbildungsoptik erreicht werden, wobei beispielsweise eine Flüssiglinse vorgesehen sein kann. Hierdurch wird es ermöglicht, auf einfache Weise und mit einem kompakten Aufbau mindestens zwei unterschiedliche optische Abbildungsmaßstäbe zu realisieren. Vorzugsweise unterscheiden sich die unterschiedlichen optischen Abbildungsmaßstäbe um mindestens etwa 10%, besonders bevorzugt um mindestens etwa 50%, beispielsweise um etwa 100%.
Vorzugsweise ist die Abbildungsoptik zum wahlweisen Realisieren von mehr als zwei unterschiedlichen optischen Abbildungsmaßstäben ausgebildet, beispielsweise für drei, vier oder mehr diskret unterschiedliche optische Abbildungsmaßstäbe. Dabei können sich die optischen Abbildungsmaßstäbe an jeder Stufe beispielsweise um mindestens etwa 10%, bevorzugt um mindestens etwa 50%, beispielsweise um etwa 100% unterscheiden. In besonders bevorzugter Weise ist das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe bei einer stufenweisen Veränderung des Abbildungsmaßstabs etwa 1,5 oder etwa 2. Hierdurch wird es ermöglicht, mit einer einfachen Abbildungsoptik einen besonders großen Gesamtvergrößerungsbereich zu realisieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Pixelzahl n₁ des elektronischen Bildaufnehmers größer als die Pixelzahl n₃ der Bildanzeigevorrichtung, für die die Anzeige-Bilddaten von der Bildverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt werden. In dem Fall, dass die Pixel jeweils in einem rechteckigen Raster mit vorzugsweise etwa gleichem Seitenverhältnis angeordnet sind, ist insbesondere eine Pixelzahl n₁' entlang einer Längsseite des Rasters, in dem die Pixel des elektronischen Bildaufnehmers angeordnet sind, größer als eine Pixelzahl n₃' entlang einer entsprechenden Längsseite des Rasters der Pixel der Bildanzeigevorrichtung. Die Anzeige-Bilddaten umfassen somit, wenn näherungsweise das gesamte auf der aktiven Fläche des Bildaufnehmers abgebildete Bild des Objektfelds auf der Bildanzeigevorrichtung dargestellt wird, weniger Pixel als die Aufnahme-Bilddaten. Dies bedeutet, dass in diesem Fall eine Skalierung mit einem Skalierungsfaktor erfolgt, der kleiner als 1 ist. Soll nun ein Ausschnitt des Objektfelds, bei dem beispielsweise eine Längsseite einer Pixelzahl n₃' entspricht, vergrößert auf der Bildanzeigevorrichtung dargestellt werden, so kann der Skalierungsfaktor bis zum Wert 1 vergrößert werden, ohne dass eine Verschlechterung der Bildqualität des angezeigten Bildes eintritt, insbesondere ohne dass ein Verlust an Auflösung erfolgt bzw. ohne dass das angezeigte Bild unschärfer ist als das auf dem Bildaufnehmer abgebildete. Wenn im Folgenden von „verlustfrei“ die Rede ist, so ist damit eine Anzeige ohne Verlust an Bildqualität gemeint, insbesondere ohne dass die Auflösung des angezeigten Bilds geringer ist, als der Pixelzahl n₃ bzw. n₃' der Bildanzeigevorrichtung entspricht. Dadurch, dass die Pixelzahl n₁ des elektronischen Bildaufnehmers größer ist als die Pixelzahl n₃ der Bildanzeigevorrichtung, kann auf einfache Weise ein in diesem Sinne verlustfreier digitaler Zoom realisiert werden, der die Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs ergänzt. Hierdurch kann ein gegenüber dem Wechsel der optischen Vergrößerung erweiterter Vergrößerungsbereich mit einem kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Zoom ermöglicht werden, ohne dass ein Verlust an Auflösung auftritt. Ferner kann hierdurch auf einfache Weise eine hohe Schärfentiefe erreichbar sein.
Vorzugsweise ist der elektronische Skalierungsfaktor in einem Bereich von 1 bis mindestens 1,5, vorzugsweise von 1 bis mindestens 2, kontinuierlich veränderbar. Hierdurch wird ein für viele Zwecke ausreichender digitaler Zoombereich geschaffen. Zudem kann im Zusammenwirken mit einer einfachen Abbildungsoptik, die eine stufenweise Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs um einen Faktor 1,5 oder 2 ermöglicht, ein besonders großer kontinuierlicher Gesamt-Zoombereich erreicht werden. Hierdurch wird es ermöglicht, mit einer einfachen Abbildungsoptik einen besonders großen Gesamt-Zoombereich bzw. einen besonders großen kontinuierlichen Gesamtvergrößerungsbereich zu erreichen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die relative Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs bei mindestens einer Stufe der Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs kleiner als die Quadratwurzel aus dem Verhältnis (n₁ / n₃) der Pixelzahlen n₁ des elektronischen Bildaufnehmers und der Pixelzahl n₃ der Bildanzeigevorrichtung bzw. aus dem Verhältnis der Pixelzahlen der Aufnahme-Bilddaten und der Anzeige-Bilddaten, wobei n₁ > n₃ ist. Insbesondere ist, wenn die Pixel jeweils ein rechteckiges Raster mit vorzugsweise etwa gleichem Seitenverhältnis bilden, das Verhältnis des größeren zum kleineren Abbildungsmaßstab bei der stufenweisen Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs kleiner als das Verhältnis der Pixelzahlen n₁' und n₃' entlang entsprechender Längsseiten des Bildaufnehmers bzw. der Bildanzeigevorrichtung. Hierdurch wird eine Überlappung in einem Bereich des Wechsels des optischen Abbildungsmaßstabs ermöglicht, so dass bei einem Herein- oder Heraus-Zoomen die Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs bei unterschiedlichen, jeweils im oben genannten Sinne verlustfreien Skalierungen erfolgen kann; dadurch kann eine Hysterese ermöglicht werden.
In besonders vorteilhafter Weise kann die Bildverarbeitungsvorrichtung derart zum Herein-Zoomen in einen Ausschnitt des Objektfelds und zum Heraus-Zoomen aus dem Ausschnitt des Objektfelds eingerichtet sein, dass beim Herein-Zoomen, also bei einer kontinuierlich zunehmenden Gesamtvergrößerung, der elektronische Skalierungsfaktor zunächst kontinuierlich vergrößert wird, in einem ersten Übergangsbereich der optische Abbildungsmaßstab vergrößert und zumindest näherungsweise gleichzeitig der elektronische Skalierungsfaktor derart verringert wird, dass die Gesamtvergrößerung dabei unverändert bleibt, und sodann der elektronische Skalierungsfaktor wieder kontinuierlich vergrößert wird; und dass beim Heraus-Zoomen, also bei einer kontinuierlich abnehmenden Gesamtvergrößerung, der elektronische Skalierungsfaktor zunächst kontinuierlich verringert wird, in einem zweiten Übergangsbereich der optische Abbildungsmaßstab verringert und zumindest näherungsweise gleichzeitig der elektronische Skalierungsfaktor derart vergrößert wird, dass die Gesamtvergrößerung unverändert bleibt, und sodann der elektronische Skalierungsfaktor wieder kontinuierlich verringert wird. Hierdurch kann trotz der lediglich stufenförmigen, diskontinuierlichen Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs, wofür eine einfach aufgebaute Abbildungsoptik ausreichend ist, ein kontinuierlicher Zoomeffekt beim Herein- bzw. Heraus-Zoomen erreicht werden.
Dabei ist es weiter besonders vorteilhaft, wenn der zweite Übergangsbereich bei einer größeren Gesamtvergrößerung liegt als der erste. Der Wechsel des optischen Abbildungsfaktors erfolgt somit beim Herein-Zoomen erst bei einem höheren Gesamt-Zoomfaktor als beim Herein-Zoomen und somit sowohl beim Heraus-Zoomen zu einem späteren Zeitpunkt als dem Wechsel beim Herein-Zoomen entspricht. Hierdurch kann ein störender Wechsel des optischen Abbildungsmaßstabs und eine entsprechende Unterbrechung des Zeitablaufs, etwa durch ein Herein- oder Herausschwenken von optischen Elementen, vermieden werden, wenn nur in einem kleinen Gesamt-Zoombereich gearbeitet wird. Bei einem entsprechenden Verhältnis der Pixelzahlen n₁ bzw. n₁' des Bildaufnehmers und n₃ bzw. n₃' der Bildanzeigevorrichtung kann auf diese Weise ein verlustfreier kontinuierlicher Zoom mit Hysterese ermöglicht werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass in den Aufnahme-Bilddaten ein Ausschnitt des auf dem Bildaufnehmer abgebildeten Bilds wählbar ist, aufgrund dessen die Anzeige-Bilddaten erzeugt werden, und der auf der Bildanzeigevorrichtung vergrößert dargestellt werden kann. Hierdurch kann die Erkennung von Details verbessert werden, die sich in einem vom Benutzer wählbaren Ausschnitt des Objektfelds befinden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abbildungsoptik mehrkanalig ausgebildet. So kann die optische Beobachtungsvorrichtung beispielsweise nach Art einer Stereooptik, etwa als Stereo-Exoskop oder Stereo-Endoskop, ausgebildet sein. Insbesondere können zwei parallele Abbildungsoptiken vorgesehen sein, die auf einem zugeordneten elektronischen Bildaufnehmer jeweils ein Bild des Objektfelds entwerfen, wobei die Bildverarbeitungsvorrichtung zum Erzeugen eines Stereobilds aus den zwei Bildern mit unterschiedlichen Blickrichtungen und zum Ansteuern einer entsprechenden Bildanzeigevorrichtung, etwa eines Stereo-Displays oder einer Videobrille, eingerichtet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Beobachtungssystems. Das optische Beobachtungssystem umfasst eine optische Beobachtungsvorrichtung mit einer Abbildungsoptik und einem elektronischen Bildaufnehmer, wobei die Abbildungsoptik zum Abbilden eines Objektfelds auf dem elektronischen Bildaufnehmer mit einem in einer Mehrzahl von Stufen veränderbaren optischen Abbildungsmaßstab ausgebildet ist. Das optische Beobachtungssystem umfasst weiterhin eine Bildanzeigevorrichtung zur Darstellung zumindest eines Ausschnitts des Objektfelds mit einer Gesamtvergrößerung. Das optische Beobachtungssystem ist insbesondere wie oben beschrieben ausgebildet.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Gesamtvergrößerungsbereich ein Bild eines Objektfelds mit einem ersten optischen Abbildungsmaßstab auf dem elektronischen Bildaufnehmer aufgenommen und auf der Bildanzeigevorrichtung mit einer kontinuierlich veränderbaren elektronischen Skalierung angezeigt. In einem Übergangsbereich zu einem zweiten, an den ersten anschließenden Gesamtvergrößerungsbereich wird der optische Abbildungsmaßstab gegenüber dem ersten um einen von Null verschiedenen Betrag verändert und zumindest näherungsweise gleichzeitig die elektronische Skalierung entgegengesetzt verändert. In dem zweiten Gesamtvergrößerungsbereich wird das Bild des Objektfelds ebenfalls mit einer kontinuierlich veränderbaren elektronischen Skalierung auf der Bildanzeigevorrichtung dargestellt.
Bei der Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs wird der elektronische Skalierungsfaktor vorzugsweise derart geändert, dass das Produkt aus dem optischen Abbildungsmaßstab und dem Skalierungsfaktor im Wesentlichen konstant bleibt; dadurch kann erreicht werden, dass das auf der Anzeigevorrichtung angezeigte Bild während des Wechsels des optischen Abbildungsmaßstabs eine gleichbleibende Gesamtvergrößerung aufweist. Insbesondere kann beim Herein-Zoomen in einen Ausschnitt des Objektfelds der elektronische Skalierungsfaktor zunächst kontinuierlich vergrößert werden, in einem ersten Übergangsbereich der optische Abbildungsmaßstab vergrößert und zumindest näherungsweise gleichzeitig der elektronische Skalierungsfaktor derart verringert werden, dass die Gesamtvergrößerung dabei unverändert bleibt, und sodann der elektronische Skalierungsfaktor wieder kontinuierlich vergrößert werden. Weiter kann es vorgesehen sein, dass beim Heraus-Zoomen aus dem Ausschnitt des Objektfelds der elektronische Skalierungsfaktor zunächst kontinuierlich verringert wird, in einem zweiten Übergangsbereich der optische Abbildungsmaßstab verringert und zumindest näherungsweise gleichzeitig der elektronische Skalierungsfaktor derart vergrößert wird, dass die Gesamtvergrößerung unverändert bleibt, und sodann der elektronische Skalierungsfaktor wieder kontinuierlich verringert wird. Dabei können der erste und der zweite Übergangsbereich bei unterschiedlichen Gesamtvergrößerungen liegen, insbesondere kann in dem Fall, dass die Pixelzahl des elektronischen Bildaufnehmers in entsprechendem Maße größer als die der Anzeigevorrichtung ist, der erste Übergangsbereich bei einer größeren Gesamtvergrößerung liegen als der zweite.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der obigen Beschreibung des optischen Beobachtungssystems.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele und der beigefügten Zeichnung. Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Beobachtungssystems im Überblick;
2 in symbolischer Darstellung einen Kanal der Optikeinheit des Exoskops aus 1;
3 schematisch einen Zoomvorgang gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 schematisch einen Zoomvorgang gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Wie in 1 beispielhaft gezeigt, umfasst ein erfindungsgemäßes optisches Beobachtungssystem 1 eine optische Beobachtungsvorrichtung, die im dargestellten Beispiel als Exoskop 2 ausgebildet ist. Das Exoskop 2 dient zur Beobachtung eines Objektfelds 3 an einem menschlichen oder tierischen Körper aus einem Arbeitsabstand von beispielsweise etwa 30 cm. Das Exoskop 2 weist einen näherungsweise zylindrischen Schaft 4 auf, an dessen distalem Ende ein Kopfteil 5 angeordnet ist. Innerhalb des Kopfteils 5 ist eine mittels einer Drehkappe 6 um eine quer zur Längsachse des Schafts 4 stehende Achse drehbar angeordnete Optikeinheit 7 aufgenommen. Die Optikeinheit 7 ist im dargestellten Beispiel als Stereooptik ausgebildet und umfasst zwei Stereokanäle mit jeweils einem Objektiv, das ein Bild des Objektfelds 3 auf einem jeweiligen zugeordneten elektronischen Bildaufnehmer, beispielsweise einem CCD-Bildsensor, erzeugt. Die Objektive der beiden Beobachtungskanäle sind nahezu parallel zueinander angeordnet, wobei die optischen Achsen der Objektive in einem Winkel, der einem vorgesehenen Arbeitsabstand zum Objektfeld 3 entspricht, aufeinander zu gerichtet sein können.
Weiter weist das Exoskop 2 einen Handgriff 8 auf, der an dem dem Kopfteil 5 gegenüberliegenden, proximalen Ende des Schafts 4 angeordnet ist und der Anzeige- und Bedienelemente 9 trägt sowie Anschlüsse 10 für elektrische Signal- und Versorgungsleitungen. Im Kopfteil 5 kann eine Beleuchtungseinheit 11 vorgesehen sein, um Beleuchtungslicht zu erzeugen, das in Richtung auf das Objektfeld 3 abgestrahlt wird; es kann aber auch beispielsweise am Handgriff 8 ein Anschluss für ein Lichtleitkabel vorgesehen sein, über das Beleuchtungslicht, das von einer externen Lichtquelle erzeugt wird, zugeführt werden kann (in 1 nicht dargestellt). Weiterhin kann eine externe Bedienvorrichtung 12 angeschlossen sein, die zur Steuerung des Exoskops 2 sowie der nachfolgend beschriebenen Bildverarbeitungsvorrichtung 20 dient. Die Bedienvorrichtung 12 kann beispielsweise wie in DE 10 2015 121 017 A1 beschrieben ausgestaltet sein und etwa zur Steuerung des Gesamt-Zoomfaktors und der Auswahl eines vergrößert darzustellenden Ausschnitts des Objektfelds 3 dienen.
Um das Exoskop 2 in einer geeigneten Position zum Beobachten des Objektfelds 3 zu halten, ist ein verstellbares Stativ 13 vorgesehen, das beispielsweise an einem Ständer oder an einem OP-Tisch befestigt werden kann.
Das optische Beobachtungssystem 1 umfasst weiterhin eine Bildverarbeitungsvorrichtung 20, die zur Verarbeitung der von den Bildaufnehmern der Optikeinheit 7 erzeugten Bildsignale eingerichtet ist. Die verarbeiteten Bildsignale werden zur Anzeige auf einem Monitor 21 bereitgestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Monitor 21 für eine Stereobeobachtung ausgelegt. Die Bildverarbeitungsvorrichtung 20 kann auch zur Speicherung der Bilddaten eingerichtet sein.
In 2 ist der Aufbau eines der beiden Stereokanäle der Optikeinheit 7 schematisch dargestellt. Durch das Objektiv 30, von dem in 2 symbolisch nur eine Linsengruppe gezeigt ist, wird auf der aktiven Fläche des Bildsensors 31 ein Bild des Objektfelds 3 erzeugt. Dieses weist einen durch die Eigenschaften des Objektivs 30 und den Arbeitsabstand bestimmten optischen Abbildungsmaßstab auf, der hier als „Normalvergrößerung“ bezeichnet wird. Durch einen Schwenkmechanismus 32 können wahlweise eine erste Zusatzoptik 33 oder eine zweite Zusatzoptik 34, die jeweils symbolisch als eine Linse dargestellt sind, in den Strahlengang des Objektivs 30 eingeschwenkt werden. Die erste und die zweite Zusatzoptik 34 sind derart ausgelegt, dass auf dem Bildsensor 31 jeweils ebenfalls das Objektfeld 3 oder ein Ausschnitt desselben abgebildet wird, jedoch in einem ersten bzw. zweiten optischen Abbildungsmaßstab, der sich von der Normalvergrößerung unterscheidet. Vorzugsweise ist beim Wechsel des Abbildungsmaßstabs keine Veränderung des Arbeitsabstands zwischen dem Kopfteil 5 des Exoskops 2 und dem Objektfeld 3 (siehe 1) erforderlich. Der Schwenkmechanismus 32 kann prinzipiell ähnlich aufgebaut sein wie der in EP 3 073 307 A1 für das Ein- und Ausschwenken von Filtern offenbarte. Auf diese Weise ist eine stufenweise Veränderung des optischen Abbildungsmaßstabs möglich, nämlich ein Wechsel zwischen der Normalvergrößerung und zwei weiteren Abbildungsmaßstäben; dabei kann beispielsweise der erste Abbildungsmaßstab gegenüber der Normalvergrößerung ein verringerter und der zweite gegenüber der Normalvergrößerung ein vergrößerter Abbildungsmaßstab sein.
In 3 ist schematisch ein Zoom-Vorgang mit dem optischen Beobachtungssystem 1 dargestellt, wobei beispielhaft angenommen wird, dass die erste Zusatzoptik 33 eine Verkleinerung mit einem Abbildungsmaßstab von 50% der Normalvergrößerung, d.h. gegenüber dem Abbildungsmaßstab des Objektivs 30 ohne Zusatzoptik, erzeugt und die zweite Zusatzoptik 34 eine Vergrößerung um einen Faktor 2 gegenüber der Normalvergrößerung (siehe 2). Weiter wird davon ausgegangen, dass der Bildsensor 31 des betreffenden optischen Kanals etwa eine vierfache Pixelanzahl derjenigen Pixelzahl hat, die für eine Anzeige ohne Schärfenverlust auf dem Monitor 21 erforderlich ist, und zwar entlang einer horizontalen und einer vertikalen Längsseite eines rechteckigen Pixelrasters jeweils die doppelte Pixelzahl des Monitors 21. So kann etwa der Bildsensor 31 ein 4k-Sensor sein mit 4096 x 2160 Pixeln und der Monitor 21 für eine „Full HD“-Anzeige mit 1920 x 1080 Pixeln ausgelegt sein, oder der Bildsensor 31 kann ein 8k-Sensor sein und die Anzeige-Bilddaten als 4k-Signal bereitgestellt werden. Die Bildverarbeitungsvorrichtung 20 ist dementsprechend für eine „verlustfreie“ Skalierung um einen Faktor 2 eingerichtet.
Ist in einem Ausgangszustand die Zusatzoptik 33 in den Strahlengang des Objektivs 30 eingeschwenkt, so kann beispielsweise ein quadratisches Sichtfeld mit einer Kantenlänge von 10 cm bei einem Arbeitsabstand von 30 cm beobachtet und auf dem Monitor 21 dargestellt werden; die nachfolgenden Angaben der Kantenlänge können in entsprechender Weise bei einem rechteckigen Bildfeld für eine Kantenlänge oder eine Diagonale oder bei einem kreisförmigen Bildfeld für einen Durchmesser gelten. Um einen kontinuierlichen Zoomeffekt zu erzielen, wird nun zunächst bis zu einer Vergrößerung um den Faktor 2 ein „verlustfreier“ digitaler Zoom durchgeführt, indem die Bildverarbeitungsvorrichtung 20 entsprechend skalierte Bilddaten zur Anzeige auf dem Monitor 21 bereitstellt. Bis zu dem Vergrößerungsfaktor 2, der einer Kantenlänge des angezeigten Sichtfelds von 5 cm entspricht, kann unter den obigen Annahmen auf diese Weise ohne Schärfenverlust ein vergrößertes Bild dargestellt werden (in 3 mit einem durchgezogenen Doppelpfeil angedeutet). Der mit dem digitalen Zoom vergrößerte Ausschnitt des Bilds kann vom Benutzer innerhalb der aktiven Fläche des Bildsensors ausgewählt werden.
Ist der Vergrößerungsfaktor 2 bei dem elektronischen Zoom erreicht, so wird die erste Zusatzoptik 33 aus dem Strahlengang des Objektivs 30 heraus geschwenkt; der optische Abbildungsmaßstab entspricht nun der Normalvergrößerung des Objektivs 30. Zugleich oder näherungsweise gleichzeitig wird der Skalierungsfaktor der Bildverarbeitungsvorrichtung 20 von 2 wieder auf 1 gesetzt. Die Vergrößerung des auf dem Monitor 21 angezeigten Bilds ändert sich dabei nicht, so dass die Kantenlänge des sichtbaren Sichtfelds weiterhin 5 cm beträgt. Der erfolgte Wechsel des optischen Abbildungsmaßstabs ist für einen Benutzer, der das angezeigte Bild betrachtet, daher nicht erkennbar oder zeigt sich allenfalls durch eine kurze Unterbrechung des kontinuierlichen Zoomvorgangs, die für die Ausführung des Schwenkvorgangs der Zusatzoptik 33 notwendig ist und während welcher das zuvor angezeigte Bild wiederholt wird.
Im weiteren Verlauf des Zoomvorgangs wird der elektronische Skalierungsfaktor erneut kontinuierlich auf 2 erhöht, so dass schließlich gegenüber dem Ausgangszustand ein insgesamt um den Faktor 4 vergrößertes Bild des Objektfelds auf dem Monitor 21 angezeigt wird. Die Kantenlänge bzw. der Durchmesser des dargestellten Ausschnitts beträgt dann nur noch 2,5 cm.
Zur weiteren Fortsetzung des Zoomvorgangs wird nun die zweite Zusatzoptik 34 in den Strahlengang des Objektivs 30 eingeschwenkt und zugleich der elektronische Skalierungsfaktor wieder auf 1 zurückgesetzt. Auch bei diesem Wechsel des optischen Abbildungsmaßstabs bleibt die Gesamtvergrößerung des auf dem Monitor 21 angezeigten Bilds konstant und ebenso die Größe des dargestellten Ausschnitts des Objektfelds, so das auch dieser Wechsel für den Betrachter allenfalls an einer kurzen Unterbrechung des Zoomvorgangs, die durch das mechanische Schwenken bedingt ist, erkennbar ist.
Bei einem weiteren Zoomen kann der elektronische Skalierungsfaktor erneut kontinuierlich bis auf 2 vergrößert werden, ohne dass ein erkennbarer Verlust an Abbildungsschärfe auftritt. Hierdurch ist insgesamt eine Vergrößerung um den Faktor 8 erreichbar, wobei der angezeigte Ausschnitt des Objektfelds schließlich nur noch eine Kantenlänge von 1,25 cm hat. Insgesamt kann dadurch ein verlustfreier kontinuierlicher Zoomeffekt um einen Faktor 8 erzielt werden, wobei nur drei diskrete unterschiedliche optische Abbildungsmaßstäbe notwendig sind. Ein solcher verlustfreier elektronischer Zoom wird in 3 durch durchgezogene Doppelpfeile symbolisiert.
Wie in 3 mit einen gestrichelten Doppelpfeil zusätzlich angedeutet ist, kann, um eine weitere Vergrößerung zu erzielen, unter Inkaufnahme eines Schärfenverlusts des angezeigten Bilds der elektronische Skalierungsfaktor weiter erhöht werden, um beispielsweise bei einer Erhöhung des Skalierungsfaktors auf 4 schließlich insgesamt eine 16-fache Vergrößerung gegenüber dem Ausgangszustand zu erreichen.
Bei einer kontinuierlichen Verkleinerung des angezeigten Bilds kann in entsprechender umgekehrter Reihenfolge vorgegangen werden, wobei ebenfalls ein kontinuierlicher Zoom-Effekt erzielbar ist. Der Zoomvorgang und die Wahl des Bildausschnitts, der elektronisch vergrößert wird, können vom Benutzer beispielsweise mit der externen Bedienvorrichtung 12 gesteuert werden.
In 4 ist beispielhaft eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dabei wird angenommen, dass die durch die erste Zusatzoptik 33 erzielte Verkleinerung einem Faktor 0,67 und die durch die zweite Zusatzoptik 34 erzielte Vergrößerung einem Faktor 1,5 gegenüber dem mit dem Objektiv 30 alleine erzielten Vergrößerung, d.h. gegenüber der Normalvergrößerung, entspricht. Wie bei dem zu 3 erläuterten Beispiel wird auch hier angenommen, dass die Pixelzahl entlang jeder Längsseite eines rechteckigen Rasters bei dem Bildsensor die doppelte der entsprechenden Längsseite der Bildanzeigevorrichtung (Monitor 21) ist.
Im Ausgangszustand ist in diesem Beispiel die Kantenlänge bzw. der Durchmesser des sichtbaren Sichtfelds 7,5 cm. Bis zu einer Vergrößerung von 2 wird zunächst eine elektronische Skalierung vorgenommen, sodann wird die erste Zusatzoptik 33 aus dem Strahlengang ausgeschwenkt und zugleich die elektronische Skalierung auf 1,33 heruntergesetzt. Die Gesamtvergrößerung des auf dem Monitor 21 angezeigten Bilds ändert sich bei diesem Wechsel des optischen Abbildungsmaßstabs nicht. Sodann erfolgt beim weiteren Herein-Zoomen in einen Ausschnitt des Objektfelds 3 wieder eine kontinuierliche Erhöhung des Skalierungsfaktors bis auf 2. Die Gesamtvergrößerung beträgt nun 3 und die Kantenlänge des angezeigten Ausschnitts 2,5 cm. Jetzt erfolgt ein erneuter Wechsel des optischen Abbildungsmaßstabs durch Einschwenken der zweiten Zusatzoptik 34, wobei gleichzeitig die elektronische Skalierung auf 1,33 gesetzt wird. Beim weiteren Herein-Zoomen wird die Skalierung dann wieder kontinuierlich bis auf 2 erhöht. Hierdurch wird nun eine Gesamtvergrößerung von 4,5 gegenüber dem Ausgangszustand erreicht, ohne dass ein Schärfenverlust des angezeigten Bilds eintritt, d.h. der Zoom ist „verlustfrei“ (in 4 durch durchgezogene Doppelpfeile angedeutet). Die Kantenlänge des mit der Vergrößerung von 4,5 dargestellten Bildausschnitts beträgt 1,67 cm.
Wie in 4 weiter angedeutet ist, ist in jeder der drei Stufen des optischen Abbildungsmaßstabs eine zusätzliche Vergrößerung durch weitere Skalierung mit einem größeren Faktor als 2 möglich, wenn dabei ein Verlust an Schärfe in Kauf genommen wird (durch gestrichelte Doppelpfeile symbolisiert). Insgesamt kann auf diese Weise beispielsweise eine 9-fache Gesamtvergrößerung gegenüber dem Ausgangszustand erzielt werden, wobei der angezeigte vergrößerte Ausschnitt des Objektfelds 3 nur noch 0,83 cm Kantenlänge hat.
Beim Heraus-Zoomen können, wie in 4 weiter angedeutet ist, die Wechsel des optischen Abbildungsmaßstabs bei anderen, insbesondere niedrigeren Gesamtvergrößerungen stattfinden als beim zuvor beschriebenen Herein-Zoomen. Im dargestellten Beispiel kann etwa von der Gesamtvergrößerung von 4,5 bis zu einer Gesamtvergrößerung von 2,25, wobei ein Ausschnitt mit einer Kantenlänge von 3,33 cm angezeigt wird, ein verlustfreier kontinuierlicher digitaler Zoom durch Verringerung des elektronischen Skalierungsfaktors von 2 auf 1 durchgeführt werden. Erst dann wird die zweite Zusatzoptik 34 herausgeschwenkt und zugleich der Skalierungsfaktor auf 1,5 gesetzt. Die elektronische Skalierung wird beim weiteren Heraus-Zoomen dann wieder kontinuierlich bis auf 1 verringert, wobei die Kantenlänge des angezeigten Bildausschnitts dann 5 cm beträgt. Sodann wird die erste Zusatzoptik 33 eingeschwenkt und zugleich die Skalierung auf 1,5 erhöht. Schließlich wird die Skalierung kontinuierlich auf 1 reduziert, womit der Ausgangszustand wieder erreicht ist.
Auf diese Weise kann ein verlustfreier kontinuierlicher Zoomeffekt um einen Faktor 4,5 erzielt werden, wobei ebenfalls nur drei unterschiedliche optische Abbildungsmaßstäbe notwendig sind, die sich jeweils um einen Faktor 1,5 unterscheiden, und eine Hysterese bei unterschiedlichen Zoomrichtungen ermöglicht wird. Auch bei dieser Variante können der Zoomvorgang und die Wahl des vergrößert angezeigten Bildausschnitts wie zuvor erwähnt durch den Benutzer mit der externen Bedienvorrichtung 12 gesteuert werden.
Der Übersichtlichkeit halber sind nicht in allen Figuren alle Bezugszeichen dargestellt. Zu einer Figur nicht erläuterte Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in den übrigen Figuren.
Bezugszeichenliste

1: Optisches Beobachtungssystem
2: Exoskop
3: Objektfeld
4: Schaft
5: Kopfteil
6: Drehkappe
7: Optikeinheit
8: Handgriff
9: Anzeige- und Bedienelemente
10: Anschlüsse
11: Beleuchtungseinheit
12: Bedienvorrichtung
13: Stativ
20: Bildverarbeitungsvorrichtung
21: Monitor
30: Objektiv
31: Bildsensor
32: Schwenkmechanismus
33: Zusatzoptik
34: Zusatzoptik

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2850996 A1 [0003]
EP 3073307 A1 [0003, 0026, 0045]
US 7477297 B2 [0005]
US 7794396 B2 [0006]
EP 2656776 B1 [0007]
DE 102015121017 A1 [0017, 0042]

Claims

Optisches Beobachtungssystem, umfassend eine optische Beobachtungsvorrichtung, insbesondere ein Endoskop oder ein Exoskop (2), mit einer Abbildungsoptik und einem elektronischen Bildaufnehmer, wobei die Abbildungsoptik zum Abbilden eines Objektfelds (3) auf dem elektronischen Bildaufnehmer mit einem veränderbaren Abbildungsmaßstab und der elektronische Bildaufnehmer zum Erzeugen von Aufnahme-Bilddaten des Objektfelds (3) ausgebildet ist, eine Bildanzeigevorrichtung zur Darstellung zumindest eines Ausschnitts des Objektfelds (3) und eine Bildverarbeitungsvorrichtung (20), die zum Erzeugen von Anzeige-Bilddaten durch Skalierung der Aufnahme-Bilddaten mit einem veränderbaren Skalierungsfaktor und zum Ansteuern der Bildanzeigevorrichtung mit den Anzeige-Bilddaten eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abbildungsmaßstab in einer Mehrzahl von Stufen veränderbar ist und der Skalierungsfaktor kontinuierlich veränderbar ist, wobei der Skalierungsfaktor derart mit dem Abbildungsmaßstab gekoppelt ist, dass bei einer Veränderung des Abbildungsmaßstabs der Skalierungsfaktor entgegengesetzt geändert wird.
Optisches Beobachtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Veränderung des Abbildungsmaßstabs der Skalierungsfaktor derart geändert wird, dass das Produkt aus dem Abbildungsmaßstab und dem Skalierungsfaktor im Wesentlichen konstant ist.
Optisches Beobachtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung des Abbildungsmaßstabs ein oder mehrere optische Elemente in einen Strahlengang der Abbildungsoptik einbringbar und/oder axial verschiebbar und/oder verformbar sind.
Optisches Beobachtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik zum wahlweisen Realisieren von mehr als zwei unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben ausgebildet ist.
Optisches Beobachtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe bei einer stufenweisen Veränderung des Abbildungsmaßstabs mindestens etwa 1,1 vorzugsweise mindestens etwa 1,5, besonders bevorzugt etwa 1,5 oder etwa 2 ist.
Optisches Beobachtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixelzahl n₁ des elektronischen Bildaufnehmers größer ist als die Pixelzahl n₃ der Bildanzeigevorrichtung, für die die Anzeige-Bilddaten von der Bildverarbeitungsvorrichtung (20) bereitgestellt werden.
Optisches Beobachtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Skalierungsfaktor in einem Bereich von 1 bis mindestens 1,5, vorzugsweise bis mindestens 2, kontinuierlich veränderbar ist.
Optisches Beobachtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe bei mindestens einer stufenweisen Veränderung des Abbildungsmaßstabs kleiner ist als die Wurzel aus dem Verhältnis der Pixelzahl (n₁) des elektronischen Bildaufnehmers und der Pixelzahl (n₃) der Bildanzeigevorrichtung.
Optisches Beobachtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungsvorrichtung (20) derart eingerichtet ist, dass bei einer kontinuierlich zunehmenden Gesamtvergrößerung der Skalierungsfaktor kontinuierlich vergrößert wird, in einem ersten Übergangsbereich der Abbildungsmaßstab vergrößert und zumindest näherungsweise gleichzeitig der Skalierungsfaktor derart verringert wird, dass die Gesamtvergrößerung unverändert bleibt, und danach der Skalierungsfaktor wieder kontinuierlich vergrößert wird, und/oder bei einer kontinuierlich abnehmenden Gesamtvergrößerung der Skalierungsfaktor kontinuierlich verringert wird, in einem zweiten Übergangsbereich der Abbildungsmaßstab verringert und zumindest näherungsweise gleichzeitig der Skalierungsfaktor derart vergrößert wird, dass die Gesamtvergrößerung unverändert bleibt, und danach der Skalierungsfaktor wieder kontinuierlich verringert wird.
Optisches Beobachtungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Übergangsbereich einer größeren Gesamtvergrößerung entspricht als der erste.
Optisches Beobachtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Aufnahme-Bilddaten ein Ausschnitt des auf dem Bildaufnehmer abgebildeten Bilds wählbar ist, aufgrund dessen die Anzeige-Bilddaten erzeugt werden.
Optisches Beobachtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik mehrkanalig ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines optischen Beobachtungssystems (1), das eine optische Beobachtungsvorrichtung, insbesondere ein Endoskop oder ein Exoskop (2), mit einer Abbildungsoptik und einem elektronischen Bildaufnehmer, wobei die Abbildungsoptik zum Abbilden eines Objektfelds (3) auf dem elektronischen Bildaufnehmer mit einem in einer Mehrzahl von Stufen veränderbaren Abbildungsmaßstab ausgebildet ist, und eine Bildanzeigevorrichtung zur Darstellung zumindest eines Ausschnitts des Objektfelds (3) mit einer Gesamtvergrößerung umfasst, wobei in einem ersten Gesamtvergrö-ßerungsbereich ein Bild des Objektfelds (3) mit einem ersten optischen Abbildungsmaßstab auf dem elektronischen Bildaufnehmer aufgenommen und auf der Bildanzeigevorrichtung mit einem kontinuierlich veränderbaren Skalierungsfaktor angezeigt wird, in einem Übergangsbereich zu einem zweiten Gesamtvergrößerungsbereich der optische Abbildungsmaßstab gegenüber dem ersten um einen von Null verschiedenen Betrag verändert und zumindest näherungsweise gleichzeitig der Skalierungsfaktor entgegengesetzt verändert wird, und in dem zweiten Gesamtvergrößerungsbereich das Bild des Objektfelds (3) mit einem kontinuierlich veränderbaren Skalierungsfaktor auf der Bildanzeigevorrichtung dargestellt wird.