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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stereo-Objektvergrösserer zur Abbildung eines Objektes in Stereo gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Stereo-Objektvergrösserer werden vorzugsweise im medizinischen Bereich und insbesondere während Operationen eingesetzt. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Vorrichtungen bekannt, um Ärzte und Chirurgen bei Operationen zu unterstützen, und/oder einen Gegenstand oder einen zu operierenden Bereich vergrössert darzustellen.
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Mit der
DE 103 00 925 wurde beispielsweise ein System bekannt, welches mindestens einem Betrachter Freiheitsgrade hinsichtlich seiner Anordnung relativ zum beobachteten Objekt bieten soll.
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Die Vorrichtung stellt ein stereoskopisches Bild zur Verfügung.
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Die meisten Ausführungen der Vorrichtung umfassen Systeme aus Linsen und Prismen, welche entlang einer optischen Achse aufgereiht sind und welche das abzubildende Objekt über Strahlenteiler in unterschiedliche Kanäle aufteilt. Diese Vorrichtungen sind mechanisch und optisch aufwendig und haben verschiedene Nachteile.
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Die Strahlenteiler sowie die Blenden und Filter haben den Nachteil, dass sie im Teilerverhältnis das Licht teilen; es wird also bei diesen Ausführungsformen doppelt so viel Licht benötigt.
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Der Haupt-Nachteil der Ausführungsformen der
DE 103 00 925 ist aber, dass die Kameras nicht frei im Strahlengang beweglich sind sondern maximal um die optische Achse gedreht werden können und sich die Kamerapaare bei Drehung erst noch im Weg sind.
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Die Ausführungsformen mit den optischen Filtern bzw. Blenden haben zusätzlich den Nachteil, dass immer nur ein Teilstrahlenbündel auf die Kamera abgebildet wird, was bei 4 Teilstrahlenbündel eine 4 mal höhere Abtastrate als Bildrate bedeutet, d.h. will man zwei Stereobilder mit 30 Bilder pro Sekunde anschauen, benötigt man eine Kamera mit 120 Bildern pro Sekunde. Des Weiteren ist bei dieser Ausführungsform eine aufwendige Mechanik oder Elektronik samt Filtern bzw. Blenden nötig, welche die Taktrate exakt ausgibt.
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Eine weitere Ausführungsform benötigt 8 Kameras mit dazugehörigen 8 Kamera-Elektroniken und 8 Verkabelungen, was ein grosser technischer Aufwand bedeutet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beheben. Insbesondere soll eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden, welche es ermöglicht, dass Chirurg und Assistent unabhängig voneinander arbeiten können und möglichst frei wählbare Stereobilder des Objekts, sowohl betreffend Drehrichtung um die optische Achse als auch betreffend Stereo-Bildausschnitt des Objekts zur Verfügung haben.
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Die Vorrichtung soll es also ermöglichen, sowohl dem Chirurgen als auch dem Assistenten und allfälligen weiteren Operateuren Stereo-Bildausschnitte des Objekts für jegliche Arbeitsposition zur Verfügung zu stellen, welche Ermüdungserscheinungen, hervorgerufen durch eine unnatürliche Arbeitshaltung oder Arbeitsposition unterbindet und gleichzeitig dem Chirurgen, dem Assistenten und weiteren Operateuren die für die Operation benötigten oder gewünschten Stereo-Bildausschnitte des Objekts aus dem Objektfeld frei wählbar zur Verfügung stellt.
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Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen definierten Vorrichtungen gelöst. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Der erfindungsgemässe Stereo-Objektvergrösserer ermöglicht es Objekte in Stereo abzubilden, das heisst für beide Augen einen getrennten Strahlengang bereitzustellen, damit das Objekt bzw. Teile des Objekts aus unterschiedlichen Winkeln abgebildet wird, sodass ein räumlicher Bildeindruck entsteht.
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Der erfindungsgemässe Stereo-Objektvergrösserer umfasst ein Objektiv 10 mit einer optischen Achse 11 und einer Objektebene 6, wobei das Objekt 7 im wesentlichen über das Objektiv 10 aus einem objektseitigen Strahlenbündel im Winkelbereich 8 in ein bildseitiges Gesamt-Strahlenbündel 9 überführt wird.
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Dieses bildseitiges Gesamt-Strahlenbündel wird über eine Abbildungsoptik 19 auf genau ein lichtempfindliches Element 23 abgebildet, welches vorzugsweise als optischer Sensor beispielhaft ein CCD-Sensor oder CMOS-Sensor ausgebildet ist. Die Fläche dieses genau einen lichtempfindlichen Elements kann aus mehreren lichtempfindlichen Einzelelementen zusammengesetzt sein.
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In den folgenden Ausführungen und Zeichnungen werden Teilstrahlenbündel erwähnt. Bei einigen Figuren sind der Übersichtlichkeit wegen nur zwei Teilstrahlenbündel 2, 3 aufgenommen; auch in den Ausführungen werden zwei Teilstrahlenbündel erwähnt; die Erfindung beschränkt sich aber nicht auf nur zwei Teilstrahlenbündel, so sind bei allen Ausführungen mehr als zwei Teilstrahlenbündel möglich.
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In einer ersten Ausführungsform wird das bildseitige Gesamt-Strahlenbündel 9 über die Abbildungsoptik 19 als Ganzes auf das lichtempfindliche Element abgebildet. Als Ganzes bedeutet, dass das vollständige bildseitige Gesamt-Strahlenbündel 9 über die entsprechende Abbildungsoptik 19 auch vollständig auf das lichtempfindliche Element 23 abgebildet wird.
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Dies ist beispielhaft in 1 und 2 dargestellt: das vollständige bildseitige Gesamt-Strahlenbündel 9 wird über die Abbildungsoptik 19 und dem entsprechenden Strahlenbündel 30 vollständig auf das lichtempfindliche Element 23 abgebildet. Dies hat den Vorteil, dass verschiedene Ausschnitte des lichtempfindliches Elements wahlfrei und damit verschiedene darauf abgebildete Teilstrahlenbündel wahlfrei für die Erzeugung von Stereobildern des Objekts auswählbar sind, es sind unendlich viele Kombinationen aus getrennten Strahlengängen für Stereo-Abbildungen möglich.
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Damit können verschiedene Benutzer verschiedene Bereiche des Objekts in Stereo betrachten. Der Abstand des jeweiligen Teilstrahlenbündels zur optischen Achse ist damit variabel und die Stereobilder müssen nicht mehr um die optische Achse verlaufen, das heisst, der Betrachter kann ein Stereobild auswählen, bei dem die Achse durch den Mittelpunkt des rechten Bildes und linken Bildes und nicht zwangsläufig durch die optische Achse geht.
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Es können mehrere Teilstrahlenbündel sein, der Übersichtlichkeit halber werden in den 1 bis 3 nur zwei Teilstrahlenbündel 2, 3 dargestellt.
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Die Bilder des Objektes in Stereo werden bevorzugt der Bildwiedergabevorrichtung bereitgestellt, können aber auch in der Vorrichtung gespeichert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des Stereo-Objektvergrösserers wird das bildseitige Gesamt-Strahlenbündel 9 über die Abbildungsoptik 19 in zwei oder mehrere im wesentlichen parallele bildseitige Teilstrahlenbündel 2, 3 auf genau ein lichtempfindliches Element abgebildet. Es können mehrere Teilstrahlenbündel sein, der Übersichtlichkeit halber werden in den 1 bis 3 nur zwei Teilstrahlenbündel 2, 3 dargestellt.
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Die bildseitigen Teilstrahlenbündel 2, 3 sind parallel zur optische Achse drehbar und/oder in XY-Richtung senkrecht zur optischen Achse verschiebbar ausgebildet. Die bildseitigen Teilstrahlenbündel können als Vergrösserungs-System oder als System zum Einstellen der Bildschärfe oder als System zum Einstellen des Arbeitsabstandes ausgebildet sein.
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Das bedeutet, dass in dieser Ausführungsform quasi auch das bildseitige Gesamt-Strahlenbündel 9 als Ganzes auf das lichtempfindliche Element abgebildet wird, mit dem Unterschied, dass nur die Teilbereiche der bildseitigen Teilstrahlenbündel vergrössert, scharf oder mit eingestelltem Arbeitsabstand auf das lichtempfindliche Element abgebildet werden.
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Somit wird in dieser Ausführungsform die Wahlfreiheit der Ausschnitte des lichtempfindliches Elements und damit die Wahlfreiheit verschiedener darauf abgebildeter Teilstrahlenbündel für die Erzeugung von Stereobildern des Objekts durch die parallel zur optische Achse drehbaren und/oder in XY-Richtung senkrecht zur optischen Achse verschiebbaren als Vergrösserungs-, Bildschärfeeinstellungs- oder Arbeitsabstandeinstellungs-System ausgebildeten Teilstrahlenbündel ermöglicht.
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Damit existieren unendlich viele Kombinationen aus getrennten Strahlengängen für Stereo-Abbildungen.
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Der grosse Vorteil zum Stand der Technik liegt darin, dass für beispielsweise sechs als Vergrösserungs-System ausgebildete Teilstrahlenbündel nur ein lichtempfindliches Element und nur eine Kameraelektronik und nur eine Verkabelung anstatt sechs benötigt wird.
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Ein weiterer grosser Vorteil besteht darin, dass für beispielhaft vier als Vergrösserungs-System ausgebildete Teilstrahlenbündel die in XY-Richtung senkrecht zur optischen Achse beweglich ausgebildet sind, die Teilstrahlenbündel-Vergrösserungssysteme so bewegt werden, dass die auf dem lichtempfindlichen Element abgebildeten Teilstrahlenbündel als Ausschnitte des lichtempfindlichen Elements für die Erzeugung von Stereobildern des Objekts wahlfrei herangezogen werden.
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Verschiedene Ausschnitte des lichtempfindliches Elements werden durch bewegen der Teilstrahlenbündel-Vergrösserungssysteme wahlfrei für die Erzeugung von Stereobildern des Objekts ausgewählt, damit sind unendlich viele Kombinationen aus getrennten Strahlengängen für Stereo-Abbildungen möglich.
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Die Teilstrahlenbündel sind in XY-Richtung frei beweglich, sie sind sich nur eventuell mechanisch im Weg. Dies kann durch horizontales Versetzten in Richtung der Drehachse verhindert werden.
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Eine bessere Lösung für das mechanische im Weg sein ist es, die Teilstrahlenbündel-Vergrösserungssysteme beispielsweise rechteckig auszugestalten. Zwei nebeneinander stehende rechteckige Teilstrahlenbündel-Vergrösserungssysteme werden dann mit dem durch sie abgedeckten grossen Ausschnitt des lichtempfindliches Elements der Teil-Strahlenbündel für die Erzeugung von Stereobildern des Objekts herangezogen.
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Das lichtempfindliche Element ist vorzugsweise ein optischen Sensor wie ein CCD-Sensor oder CMOS-Sensor, wobei die Fläche dieses genau einen lichtempfindlichen Elements aus mehreren lichtempfindlichen Einzelelementen zusammengesetzt sein kann.
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Der Stereo-Objektvergrösserer umfasst eine Vorrichtung, welche es erlaubt die Teilstrahlenbündel, also beispielsweise die einzelnen Vergrösserungs-Systeme parallel zur optische Achse zu drehen und/oder in XY-Richtung senkrecht zur optischen Achse zu verschieben. Damit werden die Bilder der lichtempfindlichen Elemente, vorzugsweise dem optischen Sensor zur Stereo-Abbildung des Objekts ausgewählt, das heisst der Benutzer kann die Abbildung des Objektes in Stereo im Rahmen der mechanischen Beweglichkeit der beispielsweise Vergrösserungs-Systeme in XY-Richtung oder in Drehrichtung frei wählen.
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Die Bilder des Objektes in Stereo werden bevorzugt der Bildwiedergabevorrichtung bereitgestellt, können aber auch in der Vorrichtung gespeichert werden.
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In einer anderen Ausführungsform des Stereo-Objektvergrösserers wird das bildseitige Gesamt-Strahlenbündel 9 in zwei oder mehrere im wesentlichen parallele bildseitige Teilstrahlenbündel 2, 3 ,4, 5 - es können mehr Teilstrahlenbündel sein, der Übersichtlichkeit halber werden in den Figuren nur zwei bzw. vier dargestellt - überführt, wobei jedes parallele bildseitigen Teilstrahlenbündel auf ein oder mehrere lichtempfindliche Elemente, vorzugsweise optische Sensoren wie CCD-Sensoren oder CMOS-Sensoren abgebildet wird, welche in XY-Richtung senkrecht zur optischen Achse im bildseitigen Gesamt-Strahlenbündel wahlfrei positionierbar sind. Die Fläche dieser lichtempfindlichen Elemente kann aus mehreren lichtempfindlichen Einzelelementen zusammengesetzt sein.
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Die Positionierung in XY-Richtung senkrecht zur optischen Achse wird beispielsweise mit einem oder mehreren XY-Tischen, XY-Schlitten oder XY-Kreuztischen durchgeführt, welche motorisch angetrieben sind. Denkbar sind auch XY-Seilzüge.
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Sollen für zwei Beobachter, die unabhängig voneinander arbeiten wollen, beispielhaft vier parallele lichtempfindliche Elemente in XY-Richtung senkrecht zur optischen Achse im bildseitigen Gesamt-Strahlenbündel als vier Teilstrahlenbündel wahlfrei positionierbar sein, können diese in zwei oder vier übereinanderliegenden XY-Kreuztischen angeordnet sein. Das empfiehlt sich vor allem, wenn die Teilstrahlenbündel mit beispielsweise Vergrösserungs-Systemen oder Systemen zum Einstellen der Bildschärfe oder zum Einstellen des Arbeitsabstandes ausgestattet sind, welche vor dem jeweiligen lichtempfindlichen Element, vorzugsweise optischen Sensor angeordnet sind und damit mit den lichtempfindlichen Elementen in XY-Richtung senkrecht zur optischen Achse mitfahren.
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Denkbar sind aber auch beispielhaft vier XY-Tische in gleicher Ebene, welche sich die Bereiche des Gesamt-Strahlenbündels teilen, also in Teilbereichen des bildseitigen Gesamt-Strahlenbündels wahlfrei positionierbar sind.
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Diese Vorrichtung erlaubt es, die lichtempfindlichen Elemente in XY-Richtung und damit die Teilstrahlenbündel, welche beispielsweise als Vergrösserungs-Systeme ausgebildet sind, wahlfrei im bildseitigen Gesamt-Strahlenbündel zu positionieren um Bilder der lichtempfindlichen Elemente, vorzugsweise dem optischen Sensor für die Stereo-Abbildung des Objekts auszuwählen und diese bevorzugt der Bildwiedergabevorrichtung bereitzustellen und/oder in der Vorrichtung zu speichern. Der Stereo-Objektvergrösserer kann mit einer Bildwiedergabevorrichtung zur Abbildung des Objekts ausgestattet sein, wobei die Übertragung der Bildinformation von dem lichtempfindlichen Element, bzw. von seiner Elektronik-Vorrichtung zur Bildwiedergabevorrichtung vorzugsweise elektrisch oder elektro-optisch kabellos oder mit Kabeln erfolgt.
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Elektro-optisch bedeutet, dass die Bilder vor der Übertragung in der Elektronik-Vorrichtung des lichtempfindlichen Elements in optische Signale umgewandelt werden und die optische Signale in der Bildwiedergabevorrichtung wieder in elektrische umgewandelt werden, d.h. eine optische Daten-Schnittstelle ausgebildet ist. Die Bildwiedergabevorrichtung kann mit einem Speicher zum Speichern der Stereoabbildungen ausgestattet sein.
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Der Stereo-Objektvergrösserer kann mit einem System zum Einstellen der Bildschärfe oder zum Einstellen des Arbeitsabstandes ausgebildet sein, welches das Abbild des Objekts über das Gesamt-Strahlenbündel erfasst. Ebenso kann der Stereo-Objektvergrösserer mit einem Vergrösserungs-System ausgestattet sein, welches ein Abbild des Objekts über das Gesamt-Strahlenbündel vergrössert.
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Des weiteren kann der Stereo-Objektvergrösserer mit einer Abbildungsoptik ausgestattet sein, welche das Abbild des Objekts auf das/die jeweilige(n) lichtempfindliche(n) Element(e), vorzugsweise optische(n) Sensoren entweder über das Gesamt-Strahlenbündel oder die Teilstrahlenbündel abbildet. Diese dienen zur Anpassung der Abbildung des Gesamt-Strahlenbündels bzw. der Teilstrahlenbündel an die Grösse des bzw. der lichtempfindliche(n) Element(e).
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In den Figuren werden verschiedene Ausführungsformen des Stereo-Objektvergrösserers gezeigt:
- Die 1, 2 und 3 zeigen den erfindungsgemässen Stereo-Objektvergrösserer umfassend ein Objektiv 10 mit einer optischen Achse 11 und einer Objektebene 6, wobei das Objekt 7 im wesentlichen über das Objektiv 10 aus einem objektseitigen Strahlenbündel mit dem Winkelbereich 8 in ein bildseitiges Gesamt-Strahlenbündel 9 überführt wird.
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Dieses bildseitige Gesamt-Strahlenbündel wird auf genau ein lichtempfindliches Element 23 abgebildet, welches vorzugsweise ein optischen Sensor ist.
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Im Stereo-Objektvergrösserer der 2 wird das bildseitige Gesamt-Strahlenbündel 9 als Ganzes auf das lichtempfindliche Element 23 abgebildet. Damit sind verschiedene Ausschnitte des lichtempfindliches Elements und damit beliebige Teilstrahlenbündel wahlfrei für die Stereobilder des Objekts auswählbar. Der Abstand der jeweiligen beliebig ausgewählten Teilstrahlenbündel 2 oder 3 zur optischen Achse ist damit variabel und die Stereobilder müssen nicht mehr um die optische Achse verlaufen, der Betrachter kann beispielsweise ein Stereobild auswählen, bei dem die Achse durch den Mittelpunkt des rechten Bildes und durch den Mittelpunkt des linken Bildes und nicht durch die optische Achse geht, wie in 8 als Draufsicht gezeigt.
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Der Stereo-Objektvergrösserer der 2 enthält weiterhin ein System zum Einstellen der Bildschärfe oder zum Einstellen des Arbeitsabstandes 18, welches das Abbild des Objekts über das Gesamt-Strahlenbündel erfasst, ein Vergrösserungs-System 17, welches das Abbild des Objekts über das Gesamt-Strahlenbündel vergrössert sowie eine Abbildungsoptik 19, welche das Abbild des Objekts auf das lichtempfindliche Element über das Gesamt-Strahlenbündel abbildet.
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In den Stereo-Objektvergrösserern der 1 und 3 wird das bildseitige Gesamt-Strahlenbündel 9 in zwei oder mehrere im wesentlichen parallele bildseitige Teilstrahlenbündel 2 und 3 überführt, indem ein Vergrösserungs-System 16 ausgebildet ist, welches nur Teile des Gesamt-Strahlenbündels vergrössert. Diese bildseitigen Teilstrahlenbündel 2 und 3 werden auf genau ein lichtempfindliches Element abgebildet. Es können mehr Teilstrahlenbündel im Stereo-Objektvergrösserer ausgebildet sein, z.B. Teilstrahlenbündel 2, 3, 4, 5; der Übersichtlichkeit halber werden hier nur zwei dargestellt.
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Die bildseitigen Teilstrahlenbündel 2 und 3, die in den 1 und 3 als Vergrösserungs-System 16 ausgebildet sind, sind parallel zur optische Achse drehbar und/oder in XY-Richtung senkrecht zur optischen Achse verschiebbar.
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Der Stereo-Objektvergrösserer der 1 enthält weiterhin ein System zum Einstellen der Bildschärfe oder zum Einstellen des Arbeitsabstandes 18, welches das Abbild des Objekts über das Gesamt-Strahlenbündel erfasst.
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Die Stereo-Objektvergrösserer der 1 und 3 enthalten eine Abbildungsoptik 19, welche das Abbild des Objekts auf das lichtempfindliche Element über das Gesamt-Strahlenbündel abbildet.
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Die 4 zeigt ein Stereo-Objektvergrösserer bei dem das bildseitige Gesamt-Strahlenbündel 9 in vier im wesentlichen parallele bildseitige Teilstrahlenbündel 2, 3 , 4 und 5 (es können mehr Teilstrahlenbündel sein, der Übersichtlichkeit halber werden in den Figuren nur vier dargestellt) überführt werden und jedes parallele bildseitige Teilstrahlenbündel 2, 3 ,4 und 5 auf je ein lichtempfindliches Element 22 abgebildet wird, welche in XY-Richtung senkrecht zur optischen Achse in Teilbereichen des bildseitigen Gesamt-Strahlenbündel wahlfrei positionierbar sind. Die Teilbereiche sind durch vier XY-Tische 29 realisiert, in welchen jeweils die lichtempfindlichen Elemente 22 und damit die Teilstrahlenbündel 2, 3 4 und 5 in den Teilbereichen wahlfrei positionierbar sind. Die lichtempfindlichen Elemente 22 sind jeweils mit einem Vergrösserungs-System 21 und einer Abbildungsoptik 20 ausgebildet.
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Der Stereo-Objektvergrösserer der 4 enthält ein System zum Einstellen der Bildschärfe oder zum Einstellen des Arbeitsabstandes 18, welches das Abbild des Objekts über das Gesamt-Strahlenbündel erfasst.
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- 5 zeigt verschiedene Varianten der XY-Tische;
- 5a zeigt vier XY-Tische 29, in welchen jeweils die lichtempfindlichen Elemente 22 und damit die Teilstrahlenbündel 2, 3 ,4, 5 in den Teilbereichen wahlfrei positionierbar sind.
- 5b. zeigt einen XY-Tisch 26, in dem die lichtempfindlichen Elemente 22 in zwei übereinanderliegenden XY-Bahnen in XY-Richtung senkrecht zur optischen Achse wahlfrei im bildseitigen Gesamt-Strahlenbündel positionierbar sind.
- 5c. zeigt einen XY-Tisch 27, in dem die lichtempfindlichen Elemente 22 in zwei übereinanderliegenden XY-Bahnen wahlfrei im bildseitigen Gesamt-Strahlenbündel positionierbar sind um Bilder der lichtempfindlichen Elemente für die Stereo-Abbildung des Objekts auszuwählen.
- 6 zeigt ein lichtempfindlichen Elemente 22, vorzugsweise einen optischen Bildsensor, der mit einem Vergrösserungs-System 21 und einer Abbildungsoptik 20 realisiert ist und damit ein Teilstrahlenbündel darstellt.
- 7 zeigt ein eine Ausführungsform eines lichtempfindlichen Elements 28 von der Unterseite, welches aus zwei lichtempfindlichen Elementen 24 und 25 besteht, die beispielsweise für verschiedene Empfindlichkeiten oder verschiedene Wellenlängen wie sichtbarer und nichtsichtbarer Bereich ausgelegt sind.
- 8 zeigt ein Stereobild als Draufsicht, bei dem die Achse durch den Mittelpunkt des rechten Bildes und durch den Mittelpunkt des linken Bildes und nicht durch die optische Achse 11 geht. Das rechte Teilstrahlenbündel 2 und damit das Bild für das rechte Auge und das linke Teilstrahlenbündel 3 und damit das Bild für das linke Auge ergeben ein Stereobild, welches nicht durch die optische Achse 11 geht. Damit kann der Benutzer Stereobilder betrachten, welche wahlfrei aus dem Gesamt-Strahlenbündel ausgewählt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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