DE19606424A1 - Verfahren zur Erzeugung des stereoskopischen Bildes eines Objektes sowie Anordnung zur stereoskopischen Betrachtung - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung des stereoskopischen Bildes eines Objektes sowie Anordnung zur stereoskopischen BetrachtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung des
stereoskopischen Bildes eines Objektes sowie eine Anordnung zur
stereoskopischen Betrachtung.
Sie ist in herkömmlichen Durch- und Auflichtmikroskopen,
insbesondere in einkanaligen mikroskopischen Systemen,
vorzugsweise für stereoskopische Beobachtung eines Videobildes
anwendbar.
Die bekannten stereomikroskopischen Anordnungen beruhen auf
zwei getrennten, jeweils einem Auge zugeordneten
mikroskopischen Strahlengängen. Die üblichen Anordnungen sind
der Greenough-Typ bzw. der Galilei-Typ. Ihr gemeinsamer
Nachteil liegt in der Begrenzung der mikroskopischen Auflösung,
so daß Aperturen < 0,1 nur mit hohem Aufwand möglich sind. Dies
ist darin begründet, daß bei Stereoanordnungen große
Arbeitsabstände gewünscht werden und bei den üblichen
Anordnungen durch den erforderlichen Winkel für die
Stereobetrachtung, die zwei getrennten Strahlengänge und die
Fassungsteile der beiden Strahlengänge bei handhabbarer
Dimensionierung der Optik nur für geringe Aperturen Raum
vorhanden ist.
Bekannt ist es weiterhin, zur Erzielung eines stereoskopischen
Effektes im Kondensor eines einobjektivigen Mikroskopes
Halbblenden in Form von polarisationsfiltern einzusetzen, deren
Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen und in den
beiden Tuben entsprechend orientierte Polarisationsfilter
vorzusehen ( Journal of Microscopy, Vol. 153, Feb. 1989,
S. 181-186).
Im DE-A1-43 11 603 wird ein Stereomikroskop bei hohen
Vergrößerungen an der Auflösungsgrenze vorgeschlagen, bei dem
im dingseitigen Strahlengang eines einobjektivigen
Lichtmikroskopes in der Objektebene ein Objekttranslator und im
abbildungsseitigen Strahlengang ein Strahlengangsumschalter
angeordnet sind. Nachteilig ist hierbei der Objekttranslator,
dessen Bewegung zu Schwingungen des gesamten Mikroskopes führen
kann, besonders bei hohen Objektmasssen.
Im US-Patent 4 561 731 bzw. DE 31 08 389 sowie US 4806776 wird
ein pseudostereoskopischer Effekt mit Hilfe einer sogenannten
Differentia-Polarisationsbeleuchtung erzeugt. Für die
Beleuchtung sind zwei separate Lichtquellen vorgesehen, denen
Polarisatoren zur Erzeugung unterschiedlicher
Polarisationsrichtungen nachgeordnet sind.
Ein echtes stereoskopisches Bild soll dagegen in US 4561731, DE
31 08 389 gemäß Fig. 10 und dazugehöriger Beschreibung dadurch
erzeugt werden, daß im Lichtpfad der Okulare jeweils
Polarisatoren sowie zwischen Objektiv und Objekt eine
Doppelbrechungsplatte angeordnet sind, wobei der einzige
Beleuchtungsstrahlenweg abwechselnd unterschiedlich polarisiert
wird.
Eine ähnliche Anordnung ist in WO 94/02872 beschrieben.
Auch hier werden zwei Lichtquellen und zwei
Beleuchtungsstrahlengänge eingesetzt.
Dies trifft auch auf ein Operationsmikroskop gemäß DD-A52 90 278
zu, wobei zwei diametral einander gegenüberliegende
Beleuchtungssysteme geneigt zur optischen Achse vorgesehen sind
und das mit dem rechten Okular beobachtete Bild dem ersten
Beleuchtungssystem und das mit dem linken Okular beobachtete
Bild dem zweiten Beleuchtungssystem zugeordnet wird.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, die
stereoskopische Beobachtung mikroskopischer Bilder mit hoher
Auflösung in normalen Durch- sowie Auflichtmikroskopen,
besonders in einkanaligen mikroskopischen Systemen, mit
geringem zusätzlichem Aufwand und Platzbedarf auf der
Objektseite zu realisieren.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anordnung gemäß
den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
Die stereoskopische Beobachtung mikroskopischer Bilder mit
hoher Auflösung erfolgt, indem in oder etwa in der
Aperturblendenebene des Beleuchtungsstrahlenganges (oder dem
Bild der Eintrittspupille des Objektives) ein Lichtmodulator
eingesetzt wird, der den Schwerpunkt des
Beleuchtungsstrahlenbündels so in zwei Stellungen taktweise
verschiebt, daß mit der maximal möglichen Apertur das Objekt
mit dem für Stereobetrachtung erforderlichen Winkel beleuchtet
wird, und weiterhin Mittel zur alternierenden Darstellung der
beiden Bilder des stereoskopischen Bildpaares auf einer
Bildwiedergabevorrichtung vorgesehen sind, wobei die Taktung
der Bildwiedergabevorrichtung synchron mit der Taktung des
Lichtmodulators erfolgt und die Folgefrequenz einen
flimmerfreien Bildeindruck ermöglicht.
Vorteilhaft kann in einer Anordnung als Lichtmodulator eine
Flüssigkristallzelle eingesetzt werden.
Vorteilhaft ist der Einsatz einer Flüssigkristallzelle, die den
ferroelektrischen Effekt ausnutzt.
Einen anderen vorteilhaften Lichtmodulator stellen zwei dicht
übereinander angeordnete Gitter mit einem Teilungsverhältnis
1 : 1 dar. Die Gestaltung des Gittermusters wird so vorgenommen,
daß bei Einsatz in der Aperturblende und Bewegung eines der
beiden Gitter gegenüber dem anderen jeweils eine der beiden
Aperturblendenhälften wechselweise geöffnet und geschlossen
wird, bzw. bei Einsatz in dem Binokulartubus das Licht
wechselweise in den einen oder anderen Ausgang eines
Binokulartubus treten kann. Dabei wird die Gitterkonstante so
abgestimmt, daß die 1. Beugungsordnung die gewünschte
Objektinformation nicht stört.
Die Lichtausbeute dieser Anordnung ist aufgrund der nicht
erforderlichen Polarisationsfolien für die
Flüssigkristallmodulation höher als die der zuvor beschriebenen
Varianten.
Weitere Vorteile und die Wirkungsweise der Erfindung werden
nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1a eine erfindungsgemäße mikroskopische Anordnung mit
Durchlichtbeleuchtung,
Fig. 1b eine erfindungsgemäße mikroskopische Anordnung mit
Auflichtbeleuchtung,
Fig. 2 die durch eine erfindungsgemäße Anordnung erzeugten
Lichtverhältnisse in der Ebene der Aperturblende des
Mikroskopes,
Fig. 3 die Ausbildung einer Flüssigkristallzelle zur
Realisierung der Erfindung,
Fig. 4 die Ausbildung einer weiteren Flüssigkristallzelle mit
unterschiedlichen Bereichen für unterschiedliche Objektive,
Fig. 5 a, b, c eine Anordnung zur Erzeugung der
Teilstrahlenbündel der Beleuchtung mit zwei Strichgittern,
Fig. 6 die Zuordnung der Strahlengänge in einem Binokulartubus,
Fig. 7 eine im Binokulartubus angeordnete rotierende Scheibe
zur Bildtrennung,
Fig. 8 eine weitere Ausführung mit rotierender Scheibe,
Fig. 9 eine Ausführung mit rotierender Doppelscheibe,
Fig. 10 die Anordnung von LCD-Zellen vor dem Okular,
Fig. 11 eine Ausführungsform der Beleuchtung mit zwei
Lichtquellen,
Fig. 12 eine weitere Ausführungsform der Beleuchtung mit zwei
Lichtquellen,
Fig. 13-15 weitere vorteilhafte Anordnungen zur Zuordnung
der Teilstrahlengänge zu den Betrachteraugen.
Ein erfindungsgemäße Mikroskop mit Durchlichtbeleuchtung zeigt
Fig. 1a. Es setzt sich wie üblich aus einer hier nicht
dargestellten Lichtquelle, Kollektor, Kondensor 1 und Objektiv
2 zusammen. Das Objektiv 2 bildet ein Bild des Objektes 3 über
die Tubuslinse und Abbildungsoptik 4 auf eine Videokamera 5 ab.
Durch den erfindungsgemäßen Lichtmodulator 6 in der Ebene der
Aperturblende (oder des Bildes der Eintrittspupille des
Objektives) wird der Schwerpunkt des
Beleuchtungsstrahlenbündels so in zwei Stellungen taktweise
verschoben, daß die Strahlbündel 7 und 8 entstehen und damit
das Objekt mit dem für Stereobetrachtung erforderlichen Winkel
mit einer möglichst hohen Apertur beleuchtet, ohne daß die
Beobachtungsapertur unnötig begrenzt wird.
Ein Taktgenerator 11 steuert den Lichtmodulator 6 und eine
Videokamera 5 so, daß jeweils eines der beiden Bilder eines
stereoskopischen Bildpaares aufgenommen wird. Die Darstellung
der dreidimensionalen Abbildung erfolgt über einen
elektronischen Bildschirm 9, der über die Videokamera 5 zur
Wiedergabe der beiden Bilder als fernsehtechnische Halbbilder
getaktet wird. Die Betrachtung des Bildschirmes erfolgt mit
einer Shutterbrille 10. Ein Geber 12 (z. B. eine LED) am
Bildschirm sendet gesteuert vom Taktgenerator 11 Lichtsignale,
die von einem Sensor 13 an der Shutterbrille empfangen werden.
Der Sensor 13 steuert die Umschaltung der Öffnungen der
Shutterbrille, so daß jedes Auge im Takt des Lichtmodulators
jeweils ein Bild des stereoskopisches Bildpaares sieht, wobei
die Folgefrequenz einen flimmerfreien Bildeindruck ermöglicht.
Anstelle der Shutterbrille kann der Beobachter auch eine
Polarisationsbrille tragen, wenn ein elektronischer Bildschirm
verwendet wird, der ein schaltbares Polarisationsfilter
besitzt, das mit dem Wechsel der stereoskopischen Halbbilder
vom Taktgenerator 11 getriggert wird.
Prinzipiell kann auch ohne Videokamera und Monitor
dreidimensional beobachtet werden, indem der Beobachter zwar
mit einer Shutterbrille ausgerüstet ist, aber durch je ein
Okular eines binokolaren Tubusses blickt. Der Taktgenerator muß
dann den Lichtmodulator und die Shutterbrille synchron takten.
Weiterhin kann in an sich bekannter Weise vor jedem Auge des
Beobachters ein separater Bildschirm angeordnet sein, wobei die
Bildschirme mittels des Taktgenerators zur Lichtmodulation
synchron getaktet werde.
Fig. 1b zeigt eine erfindungsgemäße mikroskopische Anordnung in
Auflichtbeleuchtung. Die Beleuchtungsoptiken 1 beleuchten das
Objekt 3 über einen Strahlteiler 14, wobei die Strahlbündel 7
und 8 mit dem für die Stereobetrachtung erforderlichen Winkel
auf das Objekt gelangen.
Fig. 2 zeigt die Lichtverhältnisse in der Ebene der
Aperturblende (oder dem Bild der Eintrittspupille des
Objektives), die der erfindungsgemäße Lichtmodulator erzeugt.
21 stellt die gesamte Eintrittspupille des Objektives dar. In
einem Takt wird durch das Beleuchtungsbündel die Fläche 22 und
im folgenden Takt die Fläche 23 der Eintrittspupille
lichtdurchlässig. Die Schwerpunkte der jeweiligen Bündel sind
innerhalb der Beleuchtungsapertur so einstellbar, daß das
Objekt mit dem für Stereobetrachtung erforderlichen Winkel
beleuchtet wird. Durch die hierdurch möglichen, über
Halbblenden hinausgehenden Kreiszweiecke wird dabei jeweils die
Beleuchtungsapertur möglichst optimal ausgeschöpft und die
Beobachtungsapertur bleibt uneingeschränkt, so daß eine hohe
mikroskopische Auflösung erzielt wird.
Fig. 3 zeigt die Elektrodenkonfiguration eines
erfindungsgemäßen Lichtmodulators auf der Basis einer
Flüssigkristallzelle. Durch eine geeignete Spannung an den
transparenten Elektroden 31 und 33 wird das Lichtbündel 22
realisiert, im nächsten Takt wird diese Spannung an die
Elektroden 31 und 32 angelegt und damit Lichtbündel 23
realisiert. Der Einsatz von Flüssigkristallzellen erfordert
auch die Verwendung eines Polarisators vor und eines
Analysators nach der Flüssigkristallzelle, die im Fig. 1 nicht
dargestellt sind.
Für Objekte, bei denen die Azimutabhängigkeit des polarisierten
Lichtes stören könnte, kann vorteilhaft eine Platte mit dem
polarisationsoptischen Gangunterschied λ/4 nach dem Analysator
im Beleuchtungsstrahlengang eingesetzt werden.
Um mit Objektiven verschiedener Apertur stereoskopische
Betrachtung mit hoher Auflösung zu erzielen, kann die
Elektrodenstruktur der Flüssigkristallzelle so modifiziert
werden, daß für das jeweilige Objektiv ein optimales Verhältnis
zwischen Auflösung und stereoskopischen Effekt erreicht wird.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform für zwei Objektive mit um den
Faktor 2 verschiedenen Abbildungsmaßstäben, wobei einem
ersten, stärkeren Objektiv die Flächen f3 und f4 für rechts und
links sowie stets f6, einem schwächeren Objektiv die Flächen
f1+f3 und f2+f4 für rechts und links sowie stets f5+f6
zugeordnet sind.
Vorteilhaft ist hierbei die Verwendung eines Objektivrevolvers
mit Codierung, so daß beim Umschalten des Objektives auch die
entsprechende Elektrodenkonfiguration des Lichtmodulators
ausgewählt wird.
Um ein flimmerfreies Bild zu erzielen, ist der Einsatz von
ferroelektrischen Flüssigkristall-Schaltern und die Darbietung
der beiden Bilder auf dem Monitor als Halbbilder (z. B. Bild
links: 2n. Zeilen; Bild rechts: (2n-1)·Zeilen) vorteilhaft.
Eine relativ einfache Möglichkeit zur Modulation der
Eintrittspupille bietet die Anwendung eines Modulators 6 aus
zwei Strichgittern, die dicht übereinander angeordnet und im
Verhältnis 1 : 1 geteilt sind.
Im Fig. 5 ist diese Anordnung schematisch dargestellt.
Die Gitterstriche 54 des Gitters 51 und des Gegengitters 52
werden in von oben nach unten gehend orientiert und eines der
beiden Gitter, hier 51, mit einem Aktor 53 um ½
Gitterkonstante nach rechts und links gegenüber dem anderen
bewegt. Dabei wird der Antrieb zweckmäßigerweise so gestaltet,
daß gegeneinander gerichtete Beschleunigungskräfte auftreten,
um Erschütterungen und damit ein "Verschmieren" des
Stereoeffektes zu vermeiden.
Bei einem der beiden Gitter sind im einfachsten Fall die
Gitterstriche 54 in einer Pupillenhälfte um ½ Gitterkonstante
gegenüber der anderen versetzt. Durch die Gitterbewegung wird
damit wechselweise eine der beiden Pupillenhälften, wie in Fig.
5b bzw. 5c dargestellt, abgedeckt, während die andere
transparent ist.
Es sind auch Muster entsprechend Fig. 3 möglich. Die
Darstellung des Bildes erfolgt in der selben Weise, wie bei den
vorgenannten Varianten.
Dieses Prinzip läßt sich auch modifiziert in binokularen Tuben
zur direkten stereoskopischen Beobachtung anwenden. Eine
derartige prinzipielle Anordnung ist in Fig. 6 dargestellt.
Dabei muß die Gitterkonstante des Gitters 61 und Gegengitters
62 so gewählt werden, daß die von diesen Gittern erzeugten
Beugungsbilder sich nicht störend dem gewünschten Bild
überlagern.
Eine für praktische Anwendung brauchbare Dimensionierung ist
eine Gitterkonstante von ca. 3 um bei Sehfelddurchmessern von
ca. 23 mm und optischen Tubuslängen um 160 mm.
Der Aktor 63 bewegt das Gitter um ½ Gitterkonstante. Dabei
werden die Tubusöffnungen 64, 65 ganzflächig überdeckt und
wechselweise synchron zur Modulation der Eintrittspupille
freigegeben. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 dargestellt.
Die Erfindung ist nicht nur an die dargestellten
Ausführungsformen gebunden. Insbesondere kann zur Erzeugung der
versetzten Teilstrahlenbündel mindestens eine in der Ebene der
Aperturblende angeordnete rotierende Blende vorgesehen sein,
wobei eine zu der Drehfrequenz synchrone Zuordnung von
Teilstrahlenbündeln der Beleuchtung zu den Augen des
Beobachters mit den oben dargestellten Mitteln erfolgt.
Bei der Betrachtung von Objekten, bei denen eine Veränderung
der Beleuchtungs- und Betrachtungsebene sinnvoll und
vorteilhaft ist, wie zum Beispiel bei Operationsfeldern mittels
eines Operationsmikroskopes oder bei Kolposkopen, können Mittel
zur Drehung der die Teilstrahlenbündel freigebenden Öffnungen
und der Kamera um die optische Achse vorgesehen sein, wobei,
beispielsweise am betrachteten Videobild, die Orientierung des
betrachteten Bildes entsprechend angepaßt wird.
Um die Lichtverluste durch die Polarisator-Analysator-
Kombination einer LCD-Zelle als Betrachtungsshutter zu
reduzieren, können rotierende Scheiben als Shutter im
binokularen Tubus eingesetzt werden.
Dabei sind verschiedene vorteilhafte Varianten möglich. So kann
der Beleuchtungsshutter eine rotierende Scheibe mit
abwechselnden transparenten und lichtundurchlässigen Bereichen
sein.
Eine derartige Anordnung ist in Fig. 7 dargestellt.
Einem erfindungsgemäßen und beispielsweise in Fig. 1-3
beschriebenen Pupillenmodulator 701 ist ein Kondensor 702 und
ein Objekt 703 im Durchlichtstrahlengang einer hier nicht
dargestellten Lichtquelle nachgeordnet.
Das abwechselnd aus verschiedenen Richtungen durchstrahlte
Objekt 703 wird über ein Objektiv 704 sowie eine Tubuslinse 705
in Richtung eines nicht dargestellten Binokulartubus eines
Mikroskopes abgebildet.
Dieser enthält einen Strahlteiler 706, dem eine rotierende
Scheibe 709 nachgeordnet ist, die eine Lichtdurchlaßöffnung
712 aufweist, ansonsten aber lichtundurchlässig ausgebildet
ist.
Einem Umlenkprisma 707 bzw. einem Ausgleichsglas 708 sind
die Okulare 710 des Mikroskopes nachgeordnet.
Eine Ansteuer- und Synchronisationseinheit 711 bewirkt die
Synchronisation der Strahlengangumschaltung im
Pupillenmodulator 701 mit der Rotation der Scheibe 709, so daß
mittels der Lichtdurchlaßöffnung, die jeweils nur ein Okular
freigibt, die unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen dem Auge
seitenrichtig dargeboten werden.
Eine Scheibe mit transparenten und spiegelnden Bereichen zur
Zuordnung der Teilstrahlen zu den Okularen zeigt Fig. 8
Die Scheibe kann diese Bereiche in verschiedenen
Konfigurationen tragen.
Weiterhin können zur Synchronisation in den Anordnungen gemäß
Fig. 7, 8, 9, 12 analog Fig. 11 Kennmarken vorhanden sein, über die
durch eine Photodioden-Photoempfänger-Kombination das
Triggersignal für die synchrone Schaltung der
Betrachtungsshutter gewonnen wird.
Eine mit einer Ansteuer- und Synchronisationseinheit 803
verbundene, im von einer hier nicht dargestellten Tubuslinse
kommenden Strahlengang schräg angeordnete rotierende Scheibe
801 ist auf ihrer einer Lichtdurchlaßöffnung 802 zur
Drehachse gesehen gegenüberliegenden Seite reflektierend
ausgebildet, so daß bei ihrer Rotation das Licht abwechselnd
zwei Umlenkprismen 804, 805 und im weiteren den hier nicht
dargestellten Okularen zugeordnet wird.
In Fig. 9 ist eine rotierende Doppelscheibe 901 mit
parallelen, einander gegenüberliegenden transparenten und
lichtundurchlässigen Bereichen 902, 903, die mit einer
Ansteuer- und Synchronisationseinheit 907
verbunden ist, vorgesehen.
Über einen Strahlteiler 904 gelangt bei der dargestellten
Stellung der Doppelscheibe 901 das von der nicht dargestellten
Tubuslinse kommende Licht auf ein erstes Strahlumlenkprisma
905, sowie bei einer um 180 Grad versetzten Stellung der
Doppelscheibe auf ein zweites Strahlumlenkprisma 906 und wird
auf diese Weise abwechselnd und mit dem Wechsel der Beleuchtung
synchronisiert den Okularen zugeordnet.
Als Beobachtungsshutter kann weiterhin, wie in Fig. 10
dargestellt, für jedes Auge eine LCD-Zelle im binokularen Tubus
eingesetzt werden.
Ist der Beleuchtungsshutter ebenfalls eine LCD-Zelle, so
erfordert jede LCD-Zelle eine Polarisator-Analysator-
Kombination. Diese vier Polare für jeden Strahlengang ergeben
aber relativ hohe Lichtverluste. Haben die optischen Elemente
zwischen Beleuchtungsshutter und Betrachtungsshutter günstige
polarisationsoptische Eigenschaften, d. h. sind die Wirkungen
der Optik auf linear polarisiertes Licht im Strahlengang für
linkes und rechtes Auge etwa gleich, weil geringe Phasensprünge
auftreten und die verwendete Optik weitgehend spannungsfrei
ist, so kann der Analysator des Beleuchtungsshutter zugleich
als Polarisator für die Betrachtungsshutter wirken und damit
ein Polar entfallen.
In Fig. 10 sind im Einzelnen dargestellt:
Eine Polarisator/ Analysatoranordnung 1010, in der im Lichtweg als erfindungsgemäßer Pupillenmodulator eine LCD-Zelle 1011 angeordnet ist, der ein Kondensor 1012 sowie das Objekt 1013 nachgeordnet ist.
Eine Polarisator/ Analysatoranordnung 1010, in der im Lichtweg als erfindungsgemäßer Pupillenmodulator eine LCD-Zelle 1011 angeordnet ist, der ein Kondensor 1012 sowie das Objekt 1013 nachgeordnet ist.
Wie bereits mehrfach beschrieben, ist dem Objekt ein Objektiv
1014 sowie eine Tubuslinse 1015 nachgeordnet.
Ein im nicht dargestellten Binokulartubus eines Mikroskopes
angeordneter Strahlteiler 1016 sowie ein Umlenkprisma 1017 und
ein Ausgleichsglas 1018 erzeugen die Strahlengänge in den
Okularen 1020.
Den Okularen 1020 sind eine den rechten und linken Strahlengang
abwechselnd freigebende LCD-Zelle 1019 sowie Analysatoren
1021 nachgeordnet.
Über eine Ansteuer- und Synchronisationseinheit 1022 erfolgt
die synchronisierte Ansteuerung der Freigabe der Strahlengänge
in der LCD-Zelle 1011 sowie der LCD-Zelle und damit die
Zuordnung der unterschiedlichen Beleuchtungswinkel zu den Augen
des Betrachters.
Um die Lichtverluste durch die Polarisator-Analysator-
Kombination einer LCD-Zelle als Beleuchtungsshutter zu
reduzieren, können in einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung, die in Fig. 11 dargestellt ist, zwei Lichtquellen
eingesetzt werden, deren Licht erfindungsgemäß in die Ebene der
Eintrittspupille des Objektives oder eine zu dieser
konjugierten Ebene abgebildet werden.
Hierzu wird nahezu das gesamte Licht jeder Lichtquelle auf den
kreisförmigen Eintritt eines Lichtleitfaserbündels abgebildet.
Jedes Lichtleitfaserbündel ist als Querschnittswandler
ausgebildet, so daß jede Lichtsaustrittsfläche halbkreisförmig
ist. Die Austrittsflächen werden zu einem Vollkreis
zusammengesetzt und bilden die Ebene der Eintrittspupille
(Aperturblendenebene) bzw. eine konjugierte Ebene. Vor dem
Lichteintritt in das Lichtleitfaserbündel wird jeder
Lichtstrahl durch einen rotierenden Shutter geschaltet, der
z. B. als Halbkreissektor ausgebildet sein kann. Zugleich trägt
der rotierende Shutter Kennmarken, über die durch eine
Photodioden-Photoempfänger-Kombination das Triggersignal für
die synchrone Schaltung der Betrachtungsshutter gewonnen wird.
Da der rotierende Shutter der Kaltlichtquelle zugeordnet werden
kann, erfolgt eine mechanische Trennung vom Mikroskopstativ, so
daß keine eventuellen mechanischen Schwingungen des Rotors auf
das Mikroskopstativ wirken.
In Fig. 11 sind im einzelnen mit Reflektoren 1101 versehene
Lichtquellen 1102 vorgesehen, die über Abbildungsoptiken 1103,
1104 eine rotierende Scheibe 1105, die wie schon beschrieben
und in der untenstehenden Draufsicht erkennbar, eine
halbkreisförmige Lichtdurchtrittsöffnung 1111 aufweist und im
übrigen lichtundurchlässig ausgebildet ist und dadurch das
Licht abwechselnd auf die Lichteintrittsflächen zweier
Lichtleiterbündel 1107 fallen läßt.
Die gemäß der Darstellung der Aperturblendenebene 1108 jeweils
halbkreisförmig ausgebildeten Lichtleiteraustrittsbündel
erzeugen das dargestellte, abwechselnd rechts und links helle
oder dunkle Bild 1109 in der Ebene der Aperturblende.
Gleichzeitig trägt die Scheibe 1105 Meßmarken 1112, die als
kleine Öffnungen ausgebildet sind und hierdurch mittels einer
nicht dargestellten Photodioden-Photoempfängerkombination ein
Synchronisationssignal für eine Ansteuer- und
Synchronisationseinheit 1106 erzeugen.
Um die Lichtverluste durch die Polarisator-Analysator-
Kombination einer LCD-Zelle als Beleuchtungsshutter zu
reduzieren, können wie in Fig. 12 dargestellt,
vorteilhaft zwei Lichtquellen über je eine Linse auf die
Katheten eines verspiegelten Prismas abgebildet werden.
Die Spitze des Prismas ist entweder die Ebene der
Eintrittspupille (Aperturblendenebene) oder über eine
zusätzliche Linsenkombination erfolgt die Abbildung in die
Eintrittspupille des Mikroskopes. Eine rotierende Doppelscheibe
als Shutter bildet den Beleuchtungsshutter. Die rotierende
Doppelscheibe trägt außerdem Kennmarken, über die durch eine
Photodioden-Photoempfänger-Kombination das Triggersignal für
die synchrone Schaltung der Betrachtungsshutter gewonnen wird.
In Fig. 12 sind im einzelnen Lichtquellen 1201, 1202
Abbildungsoptiken 1203, 1204 nachgeordnet. Eine rotierende
Doppelblende 1205 weist um 180 Grad versetzte
Lichtdurchtrittsöffnungen 1206 auf und ist ansonsten
Lichtundurchlässig, so daß jeweils nur das Licht einer
Lichtquelle auf die verspiegelte Seitenfläche eines Prismas
1208 gelangt, von dieser reflektiert wird und über eine
Beleuchtungsoptik 1209 in eine Objektebene 1210 gelangt,
wodurch das Objekt unter verschiedenen Winkeln nacheinander
beleuchtet wird.
Eine Ansteuer- und Synchronisationseinheit synchronisiert die
Bewegung der Doppelscheibe 1205 mit geeigneten, in den vorigen
Figuren beschriebenen Mitteln zur Bildtrennung in der
Beobachtungsebene.
In Fig. 13 ist einem Objektiv O, das von zwei durch abwechselnde
Beleuchtung des Objektes erzeugten Stereo-Strahlengängen
durchsetzt wird, die, beispielsweise, wie oben erläutert,
durch alternierende Freigabe von Blenden in der Ebene der
Eintrittspupille des Objektives eines Durchlichtmikroskopes
erzeugt werden, eine Tubuslinse L1 und ein Spiegel S
nachgeordnet.
Es sind sogenannte "digital micromirror-devices" (DMD)
bekannt, die aus einer Vielzahl von Mikrospiegeln bestehen,
deren Winkellage elektrostatisch verändert wird.
Zum Aufbau und zur Wirkungsweise derartiger Anordnungen wird
auf Veröffentlichungen in EP 664470 A2, EP 656554 A2, EP 601309
A1, US 5382961, US 5444566, und US 5285196 verwiesen.
Derartige Anordnungen können unerwartet vorteilhaft auch für
die Erzeugung von stereoskopischen Bildern im Mikroskop
eingesetzt werden.
Dazu wird der DMD-Chip entweder nicht orthogonal oder
orthogonal (senkrecht) in ein Zwischenbild gelegt, das in
seiner Größe über die Brennweite der Tubuslinse dimensioniert
wird, oder in den parallelen Strahlengang zwischen Objektiv und
Tubuslinse gebracht.
Das Zwischenbild auf dem DMD-Chips wird über eine geeignete
Optik in das Okularzwischenbild abgebildet bzw. im parallelen
Strahlengang wird das Okularzwischenbild durch eine geeignete
Optik nach dem DMD-Chip erzeugt. Zwischen beiden Bildern werden
Prismen- bzw. Spiegelumlenkungen vorgesehen, die für ein
aufrechtes, seitenrichtiges Bild in der vom jeweiligen Nutzer
benötigten Pupillendistanz sorgen.
Pupillensteuerung und DMD-Schaltung sind synchron getaktet, so
daß dem linken und rechten Auge des Betrachters jeweils ein
Bild des stereoskopischen Bildpaares angeboten werden.
Die im Folgenden beschriebenen Varianten sind für Auf- und
Durchlicht-Mikroskopstative ebenso geeignet wie für
Inversmikroskope und zum Einsatz in der Endoskopie.
Auf einer Digital Mirror Device-Anordnung (DMD) entsteht ein
Zwischenbild des betrachteten Objektes, das durch
elektrostatische Ansteuerung der Mikrospiegel abwechselnd in
ein linkes und rechtes optisches System S1 bzw. S2
eingespiegelt wird, das jeweils aus einem prismatischen Körper
P1 bzw. P2, Linsen L2 bzw. L3 sowie auf die Betrachteraugen
umlenkenden Doppelprismen D1 oder D2 besteht.
Der DMD-Chip liegt hierbei in einem Winkel ungleich 90 Grad
sowohl zur Objektivachse A1 als auch zur vom Element S durch
Umlenkung erzeugten Achse A2.
Mittels einer Ansteuereiheit AS wird sowohl die DMD-Anordnung
als auch die nicht dargestellte Blendenanordnung in der
Eintrittspupille des Objektives synchron mit einer Frequenz
oberhalb der Flimmerfrequenz des Auges angesteuert.
Im Fig. 14 ist das DMD-Element senkrecht zur Objektivachse A
im Zwischenbild der Tubuslinse L1 angeordnet und lenkt
wechselweise den Strahlengang auf symmetrisch zur Achse A
angeordneten Umlenkspiegel Sp3, Sp4, denen Linsen L6, L7
sowie Prismen P3, P4 zur Umlenkung in Richtung des Okulars
sowie zur Erzeugung des Okularzwischenbildes nachgeordnet
sind.
Zwischen Tubuslinse L1 und der DMD-Anordnung kann auch ein
hier nicht dargestelltes weiteres Umlenkelement vorgesehen
sein.
Auch hier ist eine wie in Fig. 7 wirkende Ansteuereinheit AS
vorgesehen.
In Fig. 15 ist das DMD-Element direkt dem Objektiv O im
parallelen Strahlengang nachgeordnet und erzeugt wechselweise
einen Strahlengang durch Tubuslinsen L4, L5, denen
Umlenkspiegel Sp1 und Sp2 sowie Prismen P3, P4 nachgeordnet
sind.
Das Okularzwischenbild entsteht nach den Prismen P3, P4 und
wird mittels einer nicht dargestellten Okularoptik betrachtet.
Wiederum ist eine Ansteuereinheit AS vorgesehen.
Mittels der DMD-Anordnung können ausreichende Schwenkwinkel
realisiert werden, um die hier benötigte Winkeldifferenz zu
erzeugen.
Vorteilhaft kann eine zu Fig. 13-15 analoge Anordnung auch
unter Verwendung eines Galvanometerspiegels eingesetzt werden,
der anstelle der DMD-Anordnung den gesamten Strahlengang
ablenkt.
Mit dem Wegschalten des ersten Umlenkspiegels S in Fig. 13 bzw.
des DMD-Chips in Fig. 14 und Fig. 15 ist der ungehinderte
Strahlengang zu einer TV-Kamera und einer alternativen
Monitorbetrachtung möglich, die eine Stereobeobachtung bei
Synchronisation von Pupillenbeleuchtung, Kamera und
Bildwiedergabe ermöglicht.
Claims (40)
1. Verfahren zur Erzeugung des stereoskopischen Bildes eines
Objektes,
wobei in einem ersten Schritt
aus einem das Objekt beleuchtenden Beleuchtungsstrahlbündel durch Ausblendung ein erstes Teilstrahlenbündel erzeugt wird, das das Objekt unter einem ersten Winkel beleuchtet und ein erstes Bild des Objektes einem Betrachterauge dargeboten wird und in einem zweiten Schritt
durch Ausblendung mindestens mindestens ein zweites Teilstrahlenbündel erzeugt wird, das das Objekt unter einem zweiten Winkel beleuchtet und ein zweites Bild des Objektes dem anderen Betrachterauge dargeboten wird
und erster und zweiter Schritt wechselweise mit einer Frequenz oberhalb der Flimmerfrequenz des menschlichen Auges wiederholt werden.
aus einem das Objekt beleuchtenden Beleuchtungsstrahlbündel durch Ausblendung ein erstes Teilstrahlenbündel erzeugt wird, das das Objekt unter einem ersten Winkel beleuchtet und ein erstes Bild des Objektes einem Betrachterauge dargeboten wird und in einem zweiten Schritt
durch Ausblendung mindestens mindestens ein zweites Teilstrahlenbündel erzeugt wird, das das Objekt unter einem zweiten Winkel beleuchtet und ein zweites Bild des Objektes dem anderen Betrachterauge dargeboten wird
und erster und zweiter Schritt wechselweise mit einer Frequenz oberhalb der Flimmerfrequenz des menschlichen Auges wiederholt werden.
2. Anordnung zur stereoskopischen Betrachtung eines über eine
Beleuchtungsoptik beleuchteten Objektes,
wobei Mittel zur wechselweisen Erzeugung mindestens zweier
Beleuchtungsstrahlteilbündel vorgesehen sind, die das Objekt
über die Beleuchtungsoptik unter unterschiedlichen Winkeln
beleuchten und Mittel zur Zuordnung der entstehenden Bilder
des Objektes abwechselnd zum rechten und zum linken Auge des
Betrachters, mit einer Frequenz oberhalb der Flimmerfrequenz
des menschlichen Auges, vorgesehen sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Teilbündel einen Winkel zueinander einschließen, der in etwa
dem Stereosehwinkel des Betrachters entspricht.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß in einer mikroskopischen Anordnung aus
Lichtquelle, Beleuchtungsoptik und mindestens einem das Objekt
abbildenden Objektiv die Mittel zur wechselweisen Erzeugung der
Beleuchtungsstrahlteilbündel etwa in der Ebene der
Aperturblende des Mikroskopes oder einer zu dieser optisch
konjugierten Ebene angeordnet sind.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittel zur wechselweisen Erzeugung der
Beleuchtungsstrahlteilbündel etwa in der Ebene der
Eintrittspupille des Mikroskopobjektivs angeordnet sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet,
daß über die Lichtquelle und die Beleuchtungsoptik eine
Durchlichtbeleuchtung in Richtung des abbildenden Objektivs
eines Mikroskopes vorgesehen ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet,
daß über die Beleuchtungsoptik eine Auflichtbeleuchtung des
Objektes vorgesehen ist, die über einen teildurchlässigen
Spiegel in den Beobachtungsstrahlengang eines Mikroskopes
eingeblendet ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-7, gekennzeichnet
durch Beleuchtungsteilbündel mit einem jeweils über die Hälfte
der optisch wirksamen Beleuchtungsfläche hinausgehenden
Querschnitt.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsstrahlteilbündel durch
Ausblendung von Teilbündeln aus einem gemeinsamen
Beleuchtungsstrahlbündel
entstehen.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-9, dadurch gekennzeichnet,
daß zur wechselweisen Erzeugung der
Beleuchtungsstrahlteilbündel mindestens eine
Flüssigkristallzelle vorgesehen ist, die elektrisch
ansteuerbare Teilbereiche aufweist, die wechselweise
lichtdurchlässig geschaltet werden.
11. Anordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daß zur
Anpassung an unterschiedliche Abbildungsobjektive
unterschiedliche elektrisch ansteuerbare Teilbereiche der
Flüssigkristallzelle vorgesehen sind.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, gekennzeichnet
dadurch, daß im Strahlengang der Flüssigkristallzelle
nachgeordnet eine Platte mit dem polarisationsoptischen
Gangunterschied λ/4 angeordnet ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-9, dadurch gekennzeichnet,
daß zur wechselweisen Erzeugung der Teilbündel des
Beleuchtungsstrahlbündels im Beleuchtungsstrahlengang
nacheinander mindestens zwei zueinander verschiebliche
Strichgitter angeordnet sind, deren Gitterstriche so zueinander
versetzt sind, daß bei einer Verschiebung wechselweise
unterschiedliche Teilbereiche der Gitteranordnung
lichtdurchlässig sind.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf
mindestens einem ersten Strichgitter die Gitterstriche eines
Teilbereiches um eine halbe Gitterkonstante gegen die
Gitterstriche eines zweiten Teilbereiches versetzt sind und
eine Verschiebung des ersten gegen ein zweites Strichgitter um
jeweils eine halbe Gitterkonstante erfolgt.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-9, dadurch gekennzeichnet,
daß zur wechselweisen Erzeugung der Teilbündel des
Beleuchtungsstrahlbündels im Beleuchtungsstrahlengang
mindestens eine rotierende Blende mit mindestens einer Öffnung
vorgesehen ist, die wechselweise eines der Teilbündel freigibt.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-15, wobei
eine Übertragungsoptik zur Erzeugung des Bildes einer
Lichtquellenanordnung in der Ebene der Aperturblende oder einer
zu dieser optisch konjugierten Ebene vorgesehen ist.
17. Anordnung nach Anspruch 16, wobei die Übertragungsoptik aus
Lichtleitern besteht.
18. Anordnung nach einem der Anspruch 16, wobei
die Übertragungsoptik aus einem verspiegelten Prisma besteht,
das im Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist und die
Lichtquellenanordnung in den Strahlengang einspiegelt.
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-18, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Zuordnung der entstehenden Bilder
des Objektes abwechselnd zum rechten und zum linken Auge des
Betrachters eine das Objekt aufnehmende Videokamera vorgesehen
ist, der mindestens ein Bildschirm nachgeordnet ist, auf dem im
Takt der wechselweisen Beleuchtung die Bilder des Objektes
entstehen.
20. Anordnung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch Anordnung der
Videokamera im Strahlengang eines Mikroskopes nach dem
Abbildungsobjektiv.
21. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-20, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Betrachtung vorzugsweise eines
Bildschirmes für den Betrachter eine Brille vorgesehen ist, die
im Takt der wechselweisen Beleuchtung des Objektes jeweils
einem Auge ein Bild zuordnet.
22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die
Brille eine Shutterbrille mit umschaltbaren Öffnungen für
rechtes und linkes Auge ist.
23. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die
Brille eine Polarisationsbrille ist und vor dem Bildschirm
mindestens ein im Takt der wechselweisen Beleuchtung
schaltbares Polarisationsfilter angeordnet ist.
24. Anordnung nach einem der Ansprüche 19-23, dadurch
gekennzeichnet, daß vor jedem Auge ein separater Bildschirm
vorgesehen ist und den Bildschirmen im Takt der wechselweisen
Beleuchtung die Bilder des Objektes zugeordnet sind.
25. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-24, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Zuordnung der entstehenden Bilder
des Objektes abwechselnd zum rechten und zum linken Auge des
Betrachters im Binokulartubus eines Mikroskopes den
Tubusöffnungen im Takt der wechselweisen Beleuchtung jeweils
ein Bild des Objektes zugeordnet ist.
26. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-25, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Binokulartubus eine Shutterbrille
zugeordnet ist.
27. Anordnung nach Anspruch 25, gekennzeichnet dadurch, daß im
Binokulartubus mindestens zwei zueinander verschiebliche
Strichgitter angeordnet sind, deren Gitterstriche so zueinander
versetzt sind, daß bei einer Verschiebung wechselweise
unterschiedliche Teilbereiche der Gitteranordnung
lichtdurchlässig sind, die jeweils eine Tubusöffnung
freigeben.
28. Anordnung nach Anspruch 27, gekennzeichnet dadurch, daß im
Binokulartubus ein Strahlteiler zur Aufspaltung in
Strahlengänge für rechtes und linkes Auge vorgesehen ist, dem
die Strichgitter nachgeordnet sind.
29. Anordnung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet,
daß auf mindestens einem ersten Strichgitter die Gitterstriche
eines Teilbereiches um eine halbe Gitterkonstante gegen die
Gitterstriche eines zweiten Teilbereiches versetzt sind und
eine Verschiebung des ersten gegen ein zweites Strichgitter um
jeweils eine halbe Gitterkonstante erfolgt.
30. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-25, dadurch
gekennzeichnet, daß die durch die Teilbündel des
Beleuchtungsstrahlbündels aufgespannte Ebene um die optische
Achse drehbar ausgebildet ist.
31. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-30, dadurch
gekennzeichnet, daß zur wechselweisen Erzeugung der Teilbündel
des Beobachtungsstrahlengang im Beobachtungsstrahlengang
mindestens eine rotierende Blende mit mindestens einer Öffnung
vorgesehen ist, die wechselweise eines der Teilbündel freigibt.
32. Anordnung zur Betrachtung stereoskopischer Bilder, insbesondere
nach einem der Ansprüche 2-25, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen einem Objektiv und einem Binokulartubus eine
Kippspiegelanordnung vorgesehen ist, die die stereoskopischen
Teilstrahlengänge abwechselnd dem einen und dem anderen
Betrachterauge zuordnet.
33. Anordnung nach Anspruch 32, wobei die stereoskopischen Bilder
über ein mikroskopisches System durch schnelle wechselweise
Ausblendung von Teilstrahlenbündeln des
Beleuchtungsstrahlenbündels erzeugt werden, mit einer zur
Ausblendung synchronen Zuordnung der stereoskopischen
Einzelbilder zum jeweiligen Auge des Betrachters im
Binokulartubus mittels einer Kippspiegelanordnung.
34. Anordnung nach Anspruch 32 oder 33, gekennzeichnet durch
Verwendung eines Galvanometerspiegels zur schnellen Zuordnung
der stereoskopischen Einzelbilder.
35. Anordnung nach Anspruch 32 oder 33, gekennzeichnet durch die
Anordnung einer digital schaltbaren Mikrospiegelanordnung (DMD)
im Abbildungsstrahlengang zwischen Objektiv und Tubuseinheit.
36. Anordnung nach einem der Ansprüche 32-35, wobei die
Spiegelanordnung in einem Zwischenbild des
Abbildungsstrahlenganges positioniert ist und nicht orthogonal
zur optischen Achse angeordnet ist.
37. Anordnung nach einem der Ansprüche 32-35, wobei die
Spiegelanordnung in einem Zwischenbild des
Abbildungsstrahlenganges positioniert ist und orthogonal zur
optischen Achse angeordnet ist.
38. Anordnung nach einem der Ansprüche 32-37, wobei die
Spiegelanordnung im parallelen Teil des
Abbildungsstrahlenganges positioniert ist.
39. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-38, gekennzeichnet
durch den Einsatz in der Endoskopie.
40. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-38, gekennzeichnet
durch ihre Anwendung auf Operationsmikroskope.
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