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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum aufeinander Abstimmen eines Okularbildes und eines Kamerabildes einer Kamera, die Bestandteil eines optischen Betrachtungssystems ist, das sowohl eine visuelle Beobachtung eines optischen Bildes mit einem Auge als auch eine Bildaufnahme des optischen Bildes mittels der Kamera erlaubt. Die optische Beobachtung erfolgt durch das Okular während ein Teil des Lichts mittels eines Strahlteilers zu der Kamera reflektiert wird, um während einer visuellen Beobachtung mit dem Auge auch Kamerabilder - z.B. Standbilder oder Videos - aufzunehmen. Das optische Betrachtungssystem ist beispielsweise ein Mikroskop, ein Endoskop, ein Teleskop oder dergleichen. Die Erfindung betrifft auch ein Kamerasystem.
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Zur visuellen Beobachtung ausgelegte optische Geräte wie Mikroskope, Endoskope, Kamerasucher und Fernrohre werden oft mit einer Kamera mit Strahlteiler verwendet, wodurch eine visuelle und eine Video-Beobachtung zeitgleich möglich sind. Das Kamerabild soll dafür möglichst so eingestellt werden, dass das visuelle Okularbild und das Videobild der Kamera zueinander passen. Aufgrund mechanischer Toleranzen und der Vergrößerung an Kamera und Okularen sind Kamerabild und Okularbild üblicherweise nicht mechanisch ausreichend zentrisch zueinander ausgerichtet und die genaue Größe des Gesichtsfeldes des Okulars ist nicht immer bekannt. Ein entsprechender Abgleich ist aufwändig und erfordert Erfahrung in der Justage optischer Geräte.
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Ziel der Erfindung ist es, eine einfache Möglichkeit zu schaffen, um das visuelle Okularbild und das Videobild der Kamera zueinander passend einzurichten.
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Erfindungsgemäß wird hierzu ein Verfahren zum aufeinander Abstimmen eines Okularbildes und eines Kamerabildes einer Kamera vorgeschlagen, die Bestandteil eines optischen Betrachtungssystems ist, das sowohl die Betrachtung eines optischen Bildes mit einem Auge als auch eine Bildaufnahme des optischen Bildes mit der Kamera erlaubt. Das optische Betrachtungssystem ist beispielsweise ein Mikroskop, ein Endoskop, ein Teleskop oder dergleichen.
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Das optische Betrachtungssystem umfasst:
- - ein optisches Gerät wie ein Mikroskop, ein Teleskop oder dergleichen
- - ein Okular zur direkten visuellen Betrachtung eines optischen Bildes mittels eines Auges, wobei das Okular eine Gesichtsfeldblende aufweist
- - einen Strahlteiler und
- - die Kamera, die eine Bildaufnahmeebene aufweist.
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Der Strahlteiler, das Okular und die Kamera sind so angeordnet, dass ein von dem optischen Gerät bereitgestelltes optisches Bild gleichzeitig durch das Okular mit einem Auge visuell betrachtet werden kann und mit der Kamera aufgenommen werden kann. Der Strahlteiler weist zwei teilreflektierende Flächen auf, von denen eine erste der teilreflektierenden Flächen sich in einer Ebene erstreckt, deren Flächennormale in einem Winkel von 45° zu einer Hauptachse der Kamera verläuft und die zweite derteilreflektierenden Flächen sich in einer Ebene erstreckt, deren Flächennormale in einem Winkel von 90° zu der Hauptachse der Kamera verläuft.
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Gemäß dem Verfahren wird eine Bildmaske für das Kamerabild der Kamera wie folgt an das Okularbild angepasst:
- - das Okular wird von seiner dem optischen Gerät abgewandten Seite beleuchtet und Licht wird durch das Okular hindurch zu dem Strahlteiler gelassen, so dass das Licht von der ersten teilreflektierenden Fläche zu der zweiten teilreflektierenden Fläche und von der zweiten teilreflektierenden Fläche weiter zur Kamera teilreflektiert wird, mit dem Ergebnis, dass die Kamera ein Abbild der Gesichtsfeldblende des Okulars als Lichtfleck auf der Bildaufnahmeebene erfasst,
- - die Position des Mittelpunkts des Lichtflecks auf der Bildaufnahmeebene wird bestimmt und
- - die Bildmaske wird anhand der Position des Mittelpunkts des Lichtflecks auf der Bildaufnahmeebene ausgerichtet.
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Erfindungsgemäß wird auch ein Kamerasystem vorgeschlagen, in dem das erfindungsgemäße Verfahren implementiert ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist schnell, sicher gegen Fehlbedienung und kann auf Knopfdruck vollautomatisch erfolgen, wenn es in das Kamerasystem implementiert wird. Es ist dafür kein speziell geschultes Personal erforderlich. Da das Verfahren die geometrische Messung des Kameraobjektivs und der Gesichtsfeldblende beinhaltet, wird eine gute Genauigkeit erzielt.
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Die Erfindung schließt die Idee ein, das Okular für die Justage zweckzuentfremden und wie ein Objektiv zu betreiben. Das heißt, dass der Strahlengang durch das Okular umgekehrt - also rückwärts - genutzt wird. Der Strahlteiler wird ebenfalls zweckentfremdet, um für die Justage einen Rückreflex der Gesichtsfeldblende des Okulars auf die Bildaufnahmeebene der Kamera zu lenken.
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Der für die Beobachtung eines Objekts dienende Lichteintritt des optischen Geräts - beispielsweise des Mikroskops - wird geschlossen oder abgeschwächt, aber dafür das Okular ausgeleuchtet z.B. durch die vorhandene Raumbeleuchtung. Bei der Justage kann auch ein optischer Diffusor zwischen Okularen und Lichtquelle angeordnet werden. Der Rückreflex der Gesichtsfeldblende des Okulars wird als Kamerabild erfasst. Die Lage des das Abbild der Gesichtsfeldblende bildenden Lichtflecks im Kamerabild kann durch Bilderkennung erfasst werden. Vorzugsweise werden der Mittelpunkt und der Durchmesser des Lichtflecks, also des Abbildes der Gesichtsfeldblende erfasst. Eine mit dem Kamerasystem verbundene oder in dieses integrierte Bildverarbeitungseinrichtung kann dann anhand der Bildmaske, Bildlage und Bildgröße eines auf einem Monitor oder Display anzuzeigenden Bildes elektronisch einstellen.
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Das Verfahren eignet sich gut zur Implementierung in ein Kamerasystem für stereoskopische Operationsmikroskope. Im Fall eines stereoskopischen optischen Geräts werden zwei Bildmasken justiert.
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Erfindungsgemäß wird auch ein optisches Betrachtungssystem vorgeschlagen, das ein optisches Gerät mit Okular, einen Strahlteiler, eine Kamera und eine Bildverarbeitungseinrichtung aufweist. Der Strahlteiler, das Okular und die Kamera sind so angeordnet, dass ein von dem optischen Gerät bereitgestelltes optisches Bild gleichzeitig durch das Okular mit einem Auge visuell betrachtet und mit der Kamera aufgenommen werden kann. Der Strahlteiler weist wenigstens zwei teilreflektierende Flächen auf, von denen eine erste der teilreflektierenden Flächen sich in einer Ebene erstreckt, deren Flächennormale in einem Winkel von 45° zu einer Hauptachse der Kamera verläuft und die zweite der teilreflektierenden Flächen sich in einer Ebene erstreckt, deren Flächennormale in einem Winkel von 90° zu der Hauptachse der Kamera verläuft,
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Die Bildverarbeitungseinrichtung ist dazu konfiguriert:
- - ein von einem Bildsensor der Kamera aufgenommenes Abbild der Gesichtsfeldblende des Okulars als Lichtfleck auf der Bildaufnahmeebene zu erkennen,
- - die Position des Mittelpunkts des Lichtflecks auf der Bildaufnahmeebene zu bestimmen und
- - einen Mittelpunkt für eine Bildmaske anhand der Position des Mittelpunkts des Lichtflecks auf der Bildaufnahmeebene zu bestimmen.
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Vorzugsweise ist die Bildverarbeitungseinrichtung außerdem dazu konfiguriert,
- - einen Radius oder Durchmesser des Lichtflecks auf der Bildaufnahmeebene zu bestimmen und
- - einen Radius oder Durchmesser für die Bildmaske anhand des Radius oder Durchmessers des Mittelpunkts des Lichtflecks auf der Bildaufnahmeebene zu bestimmen.
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Weiterbevorzugt ist die Bildverarbeitungseinrichtung dazu konfiguriert, einen durch die Bildmaske definierten Teil des Abbildes auf dem Bildsensor anhand der Position und Größe der Bildmaske zu maskieren und zu skalieren und ein entsprechendes Ausgangsbildsignal für einen Monitor oder ein Display zu erzeugen.
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Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden. Diese zeigen in
- 1: zeigt den Strahlengang eines Mikroskops mit sogenannter Unendlich-Optik;
- 2: zeigt schematisch die übliche Verwendung eines Strahlteilers an einem Mikroskop zur Ausspiegelung eines Bildes auf eine Kamera;
- 3: zeigt die erfindungsgemäß invertierte Verwendung des Strahlengangs;
- 4: zeigt den Strahlengang eines Mikroskops mit sogenannter Unendlich-Optik;
- 5: zeigt ein Beispiel eines Okularanblicks eines biologischen Objektes in einem Mikroskop bei visueller Beobachtung;
- 6: zeigt das zu dem Okularanblick in 5 zugehörige Kamerabild;
- 7: zeigt die erfindungsgemäße Abbildung der Feldblende durch die Kamera;
- 8: illustriert die Bestimmung der Position der elektronischen Bildmaske;
- 9: zeigt wie innerhalb der im vorigen Schritt ermittelten Bildmaske das maskierte Sensorbild ausgelesen wird;
- 10: zeigt die resultierende Bildschirmdarstellung; und
- 11: illustriert das erfindungsgemäße Verfahren in Form eines Ablaufdiagramms.
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1 zeigt ein optisches Betrachtungssystem 10, bei dem das optische Gerät ein Mikroskop 12 mit einem Okular 14 ist.
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Das Okular 14 erlaubt es, das von dem Mikroskop 12 bereitgestellte optische Bild mit einem Auge 16 visuell zu beobachten.
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Um das Bild gleichzeitig auch mit einer Kamera 18 aufnehmen zu können, ist im Strahlengang 20 des Mikroskops 12 ein Strahlteiler 22 angeordnet. Das Mikroskop 12 ist ein Mikroskop mit sogenannter Unendlichoptik. Diese Bezeichnung leitet sich daraus ab, dass ein jeweiliges Objekt 24 von dem Mikroskopobjektiv 26 nach unendlich abgebildet wird. Am Strahlteiler 22 liegt dadurch paralleles Licht vor. Durch den Strahlteiler 22 wird ein Teil des Lichts zu der Kamera 18 gespiegelt, während ein anderer Teil des Lichts durch den Strahlteiler 22 hindurchtritt und durch das Okular 14 zum beobachtenden Auge 16 gelangt. Dadurch kann das Objekt 24 gleichzeitig durch das Okular 14 visuell beobachtet werden und von der Kamera 18 abgebildet werden. Die Kamera weist hierzu ein Kameraobjektiv 28 und einen Bildsensor 30 auf. Das Kameraobjektiv 28 bildet das Abbild 32 des Objekts 24 auf einer Bildaufnahmeebene 34 des Bildsensors 30 ab.
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Für die visuelle Beobachtung weist das Mikroskop 12 eine Tubuslinse 36 auf, die den parallelen Strahlengang fokussiert und in einer Ebene einer Gesichtsfeldblende 38 des Okulars 14 ein reales Zwischenbild 40 des Objekts 24 erzeugt. Dieses kann von dem Auge 16 durch eine Okularlinse 42 des Okulars 14 beobachtet werden.
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Der Strahlteiler 22 ist in dem Ausführungsbeispiel ein Strahlteilerwürfel mit äußeren Planflächen 44 und einer diagonal verlaufenden teilreflektierenden Spiegelfläche 46. Aufgrund der optischen Dichte des Strahlteilerwürfels kommt es auch an den äußeren Planflächen 44 zu Teilreflektionen.
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2 illustriert skizzenhaft den üblichen Strahlenhang durch das Betrachtungssystem 10 beim Beobachten eines Objekts. Licht gelangt durch das Objektiv des optischen Geräts in das optische Gerät; siehe Bezugsziffer 48. Es tritt durch den Strahlteiler 22 und wird teilweise zum Okular 14 gelassen und teilweise zu der Kamera 18 (teil-) reflektiert.
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Häufig sind das Okular 14, der Strahlteiler 22 und die Kamera 18 mit ihrem Objektiv 28 nicht so aufeinander abgestimmt, dass ein von dem Bildsensor 30 auf dessen Bildaufnahmeebene 34 erfasstes Abbild 32 des Objekts 24 dem Bild entspricht, dass sich in dem Auge 16 bei der visuellen Betrachtung durch das Okular 14 darbietet. Eine Möglichkeit, solche Abweichungen zwischen dem visuell beobachteten Bild und dem von der Kamera 18 aufgenommenen Abbild 32 zu verringern oder nach Möglichkeit zu vermeiden besteht darin, die Kamera 18 und das Okular 14 genau auszurichten und aufeinander abzugleichen. Dies ist jedoch aufwendig und erfordert Erfahrung und Geschick.
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Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Bildmaske 50 für das von dem Bildsensor 30 aufgenommene Abbild 32 des Objekts 24 so zu erzeugen oder anzupassen, dass das Abbild 32 des Objekts 24 in der Bildmaske 50 so erscheint, wie das visuell beobachtete Bild des Objekts 24.
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Hierzu wird der Strahlengang durch das Okular 14 und den Strahlteiler 22 invertiert, indem das Okular 14 von seiner dem optischen Gerät 12 abgewandten Seite beleuchtet wird und das Licht durch das Okular 14 hindurch zu dem Strahlteiler 22 gelassen wird. Hierzu ist eine Lichtquelle 52 vorgesehen, die in das Okular 14 strahlt; siehe Bezugsziffer 54. Anstelle einer dedizierten Lichtquelle 52 kann auch Tageslicht in das Okular 14 leuchten.
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Eine mit der Kamera 18 verbundene oder mit der Kamera 18 zusammen ein Kamerasystem 80 bildende Bildverarbeitungseinrichtung 82 verarbeitet zunächst von dem Bildsensor 30 bei invertiertem Strahlengang (Beleuchtung durch das Okular 14) gewonnene Bild mit dem Lichtfleck 32', der ein Abbild der Gesichtsfeldblende 38 des Okulars 14 ist, um eine Bildmaske 50 zu definieren. Die so gewonnene Bildmaske 50 wird dann später für die Verarbeitung von Bildern eines Objekts 24 angewandt, um diese Bilder so auf einem Monitor 84 oder einem Display 84 anzuzeigen, wie sich das Objekt auch einem Betrachter durch das Okular 14 darstellt.
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3 zeigt die erfindungsgemäß invertierte Verwendung des Strahlengangs. Die Objektbeleuchtung wird abgeschaltet. Stattdessen werden das Okular 14 und die darin befindliche Gesichtsfeldblende 38 beleuchtet. Das Licht tritt durch das Okular 14 hindurch und trifft auf den Strahlteiler 22 mit seiner teilreflektierenden Spiegelfläche 46. Von dieser wird das durch das Okular eintretende Licht zu der der Kamera 18 abgewandten Planfläche 44 des Strahlteilers 22 teilreflektiert. An der der Kamera 18 abgewandten Planfläche 44 des Strahlteilers 22 entsteht ein Rückreflex, der durch die der Kamera 18 abgewandten Planfläche 44 des Strahlteilers 22 hindurchtritt und auf die Kamera 18 trifft. Das durch die teilreflektierende Spiegelfläche 46 hindurchtretende Licht wird von der dem Okular 14 abgewandten Planfläche 44 des Strahlteilers 22 zu der teilreflektierenden Spiegelfläche 46 zurückreflektiert und ebenfalls von dieser zur Kamera 18 teilreflektiert. Die Kamera 18 bildet die Gesichtsfeldblende des Okulars 14 - und zwar deren das Gesichtsfeld 56 definierende Lichtdurchtrittsöffnung - auf der Bildaufnahmeebene 34 des Bildsensors 30 ab.
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4 zeigt die erfindungsgemäße inverse Verwendung eines solchen Mikroskops mit Strahlteiler. Hier wird das Okular 14 beleuchtet. Als Objekt dient die im Okular befindliche Gesichtsfeldblende 38. Die beiden gekennzeichneten Planflächen 44 des Strahlteilerwürfels 22 bewirken durch den Unterschied des Brechungsindexes von Luft und Glas eine Teilreflexion. Diese normalerweise unerwünschte Teilreflexion wird von der Erfindung genutzt. Hierdurch entsteht auf dem Bildsensor 30 der Kamera 18 ein Bild des Gesichtsfeldes 56 des Okulars 14. Dadurch wird die Größe und Lage des Gesichtsfeldes 56 des Okulars mittels der Kamera messbar.
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5 zeigt ein Beispiel eines Okularanblicks eines biologischen Objektes 60 in einem Mikroskop bei visueller Beobachtung. Das Gesichtsfeld wird durch den kreisförmigen Gesichtsfeldrand 62 des Okulars beschnitten.
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6 zeigt das zugehörige Kamerabild 32 des Objekts 60. Der Bildsensor 30 ist rechteckig und es besteht keine Übereinstimmung der Bildmitte und Feldausdehnung mit dem Okularanblick.
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7 zeigt die erfindungsgemäße der Gesichtsfeldblende 38 bzw. des Gesichtsfelds 56 durch die Kamera 18, die sich bei Nutzung des mit Bezug auf die 3 und 4 beschriebenen invertierten Strahlengangs ergibt. Das Abbild 32 Gesichtsfeld 56 des Okulars 14 ist als hell ausgeleuchteter Kreis mit einem Kreisrand 32' erkennbar.
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8 illustriert, wie die Position der elektronischen Bildmaske 50 bestimmt wird. Der Mittelpunkt 64 und der Radius 66 des Abbilds 32' des kreisförmigen Gesichtsfeldes 56 werden beispielsweise durch Bilderkennung ermittelt. Durch eine Punktspiegelung an einem Hauptpunkt 68 wird der Mittelpunkt 70 der elektronischen Bildmaske 50 gewonnen. Der Hauptpunkt 64 ist durch den Schnittpunkt der optischen Achse 72 des Kameraobjektivs 28 mit der Bildebene 34 der Kamera 18 definiert. Diese Punktspiegelung ist erforderlich, da das Gesichtsfeld in dem gezeigten Beispiel von der Kamera 18 gespiegelt erfasst wird. Die Bezugsziffer 74 bezeichnet den Rand der Bildmaske 50 Alternativ kann der Rückreflex durch einen in der Umgebung des Strahlteilers angeordneten Retroreflektor so orientiert werden, dass keine Punktspiegelung erforderlich ist.
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9 zeigt wie (nur) innerhalb der im vorigen Schritt ermittelten Bildmaske 50 das maskierte Sensorbild ausgelesen wird.
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10 zeigt die resultierende Bildschirmdarstellung. Mittels Elektronik oder Software wurde das Sensorbild anhand der in den vorherigen Schritten gewonnen Position und Größe des Okulargesichtsfeldes maskiert und skaliert. Es besteht dadurch Übereinstimmung des Bildkreises mit dem Okularanblick. Alternativ kann der Ausschnitt auch stärker oder schwächer skaliert werden. So kann beispielsweise das Bildschirmformat vollständig gefüllt werden, wobei die Bildmitte mit der Mitte des Okularbildes übereinstimmt.
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In 11 ist das erfindungsgemäße Verfahren in Form eines Ablaufdiagramms dargestellt.
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Zum Erzeugen und/oder Anpassen der Bildmaske 50 wird das Okular 14 von seiner dem optischen Gerät 12 abgewandten Seite beleuchtet wird und Licht durch das Okular 14 hindurch zu dem Strahlteiler 22 gelassen, so dass das Licht von der ersten teilreflektierenden Fläche 46 zu der zweiten teilreflektierenden Fläche 44 und von der zweiten teilreflektierenden Fläche 44 weiter zur Kamera 18 teilreflektiertwird, mit dem Ergebnis, dass die Kamera ein Abbild der Gesichtsfeldblende 38 des Okulars 14 als Lichtfleck 32' auf der Bildaufnahmeebene 34 erfasst (110).
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Es wird die Position des Mittelpunkts 64 des Lichtflecks 32' auf der Bildaufnahmeebene 34 bestimmt (120) wird und anschließend die Bildmaske 50 anhand der Position des Mittelpunkts 64 des Lichtflecks 32' auf der Bildaufnahmeebene 34 ausgerichtet.
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Das Ausrichten der Bildmaske 50 anhand der Position des Mittelpunkts 64 des Lichtflecks auf der Bildaufnahmeebene 34 schließt ein Punktspiegeln (130) der Position des Mittelpunkts 64 des Lichtflecks 32' an dem Hauptpunkt 68 ein, an dem die (optische) Hauptachse 72 des Kameraobjektivs 28 auf die Bildaufnahmeebene 30 trifft.
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Außerdem wird zum Anpassen der Bildmaske 50 der Radius 66 oder Durchmesser des Lichtflecks 32' auf der Bildaufnahmeebene 34 erfasst (140) und ein Radius oder Durchmesser der Bildmaske 50 unter Berücksichtigung des Radius' 66 oder Durchmessers des Lichtflecks 32' auf der Bildaufnahmeebene 34 angepasst (150).
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Wenn die Bildmaske 50 auf diese Weise bestimmt ist, wird der durch die Bildmaske 50 definierte Teil des Abbildes 32 auf dem Bildsensor 30 anhand der in den vorherigen Schritten gewonnen Position und Größe des Abbilds 32' des Okulargesichtsfeldes maskiert und skaliert (160) und entsprechend beispielsweise auf einem Monitor 84 angezeigt (170).
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Betrachtungssystem
- 12
- Mikroskop
- 14
- Okular
- 16
- Auge
- 18
- Kamera
- 20
- Strahlengang
- 22
- Strahlteiler
- 24
- Objekt
- 26
- Mikroskopobjektiv
- 28
- Kameraobjektiv
- 30
- Bildsensor
- 32
- Abbild des Objekts
- 34
- Bildaufnahmeebene
- 36
- Tubuslinse
- 38
- Gesichtsfeldblende
- 40
- Zwischenbild
- 42
- Okularlinse
- 44
- Planfläche
- 46
- teilreflektierende Spiegelfläche
- 48
- normaler Lichteintritt
- 50
- Bildmaske
- 52
- Lichtquelle
- 54
- invertierter Lichteintritt
- 56
- Gesichtsfeld
- 60
- Objekt
- 62
- Gesichtsfeld rand
- 64
- Mittelpunkt des Abbilds des kreisförmigen Gesichtsfeldes
- 66
- Radius des Abbilds des kreisförmigen Gesichtsfeldes
- 68
- Hauptpunkt
- 70
- Mittelpunkt der elektronischen Bildmaske
- 72
- optische Achse des Kameraobjektivs
- 74
- Rand der Bildmaske
- 80
- Kamerasystem
- 82
- Bildverarbeitungseinrichtung
- 84
- Monitor/Display
