DE4018400A1 - Verfahren und vorrichtung zum nachsteuern von einstellvorrichtungen eines beobachtungsgeraets - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachsteuern von Einstellvorrichtungen eines Beobachtungsgerätes zur Betrachtung von Objekten mit Sehmöglichkeit für mindestens eine Person.

Die Erfindung betrifft weiterhin Mittel zur Anwendung dieses Verfahrens sowie mit diesen Mitteln ausgerüstete Geräte.

Unter Beobachtungsgeräten zur Betrachtung von Objekten ist generell jedes Gerät zu verstehen, das mit optischen Hilfsmitteln versehen ist, z.B. - nicht nur im Rahmen der vorliegenden Erfindung - ein in der Chirurgie verwendetes Operationsmikroskop. Unter optischem System ist speziell jedes optische System zu verstehen, das einem Betrachter die Möglichkeit gibt, zumindest indirekt ein Beobachtungsobjekt zu verbildlichen, z.B. mit Hilfe verstärkter räumlicher Auflösung, insbesondere aufgrund der Ver­ größerung des auf die Retina des Auges des Betrachters geworfenen Bildes.

Unter Sehfeld ist der betrachtete räumliche Bereich zu verstehen, in dem das optische System wirksam ist, z.B. - im Falle eines Mikroskopes - der vom Betrachter beobachtete Bereich, in dem sich die gewünschte Vergrößerung ergibt.

Genauer, aber nicht ausschließlich formuliert betrifft die Erfindung einerseits ein Nachsteuerungsverfahren zur Verlagerung des Sehfeldes des optischen Systems des Gerätes und andererseits ein Einstellverfahren für das optische System.

Im Allgemeinen bildet das Sehfeld eines optischen Systems einen kegelförmigen, um die optische Achse zentrierten Bereich.

Die Verlagerung des Sehfeldes betrifft die relative Verlagerung zwischen Objekt und optischem System entlang zumindest einer weitgehend rechtwinklig zur optischen Achse verlaufenden Achse.

Bezüglich der Einstellung der Optik handelt es sich um die Einstellung, die durch relative Verlagerung in Betrachtungs­ richtung zwischen Objekt und zumindest einem der Elemente des optischen Systems dem Betrachter die Möglichkeit geben, mit einer bestimmten Schärfe eine der Sehfeldebenen zu visualisieren, die im Allgemeinen senkrecht zur optischen Achse liegen.

Generell erfolgt die Verbesserung eines der visuellen Wahrneh­ mungsparameter durch dieses System auf Kosten anderer Parameter.

So hat beispielsweise die optische Vergrößerung des Bildes eine Verringerung des Sehfeldes und der Schärfentiefe zur Folge.

Im erweiterten Bereich der visuellen Wahrnehmung werden dadurch die okulomotorischen Funktionen wie z.B. Blickrichtungswechsel oder Augenanpassung stark beschränkt.

Die solche Eigenschaften aufweisenden herkömmlichen optischen Geräte wie z.B. die in der Chirurgie verwendeten Mikroskope sind deshalb mit diversen Einstellvorrichtungen für die Position des Sehfeldes, der Sehschärfe und evtl. auch der Vergrößerung ausge­ stattet.

Diese Einstellungen erfordern logischerweise das bewußte und willentliche Eingreifen des Betrachters.

Im Falle eines chirurgischen Mikroskopes müssen die Entscheidungen des Chirurgen schnell und fehlerlos ausgeführt werden.

Da jedoch die Hände des Chirurgen hauptsächlich mit der Handhabung der chirurgischen Instrumente beschäftigt sind, benötigt er zur Einstellung des Mikroskops einen Assistenten, was nicht nur kostspielig ist, sondern auch einen nicht zu vernachlässigenden Verzögerungs- und Fehlerfaktor darstellt.

Andererseits kann der Chirurg die Einstellung zwar auch durch Fußbedienung vornehmen, was jedoch begrenzte Bedienungsmöglich­ keiten sowie ein erhöhtes Konfusionsrisiko in Dringlichkeits­ situationen mit sich bringt.

Die akustische Steuerung mit automatischer Stimmenerkennung würde eine vorteilhafte Lösung darstellen, jedoch ist die technische Entwicklung erst bei der "alles oder nichts" Steuerung angelangt, während die stufenlose Steuerung noch nicht ausgereift genug ist. Außerdem wird die Zuverlässigkeit der Stimmenerkennung durch die Intonationsänderung bei nervöser Spannung des Sprechers oder durch Veränderung des Lautstärke beeinträchtigt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Augenbewegungen des Betrachters zur Einstellung der o.a. Parameter Sehfeldausrichtung und Sehschärfe zu verwenden.

Es handelt sich hierbei jedoch nicht um die bloße Bezeichnung bzw. Anwahl bestimmter Funktionen mit Hilfe des Blickes (US-A- 41 09 145, US-A-38 83 234 und EP-55 338), sondern um die stufenlose und nicht diskrete Steuerung der Veränderung mindestens eines Einstellparameters.

Gegenstand der Erfindung ist es somit, ein Nachsteuerungsverfahren für die Einstellvorrichtungen eines Objektbetrachtungsgerätes durch den Blick mindestens einer Person zu bieten, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Steuerung der Sehfeldverlagerung in einen vom Betrachter gewünschten Bereich des Betrachtungsobjektes mit Hilfe eines bei der Definition eines optischen Systems diesem zugeordneten Referenzsystems auf veränderliche Weise ein Gesetz je nach dem zwischen der Blickrichtung und der optischen Achse gemessenem Winkel erstellt wird, wodurch im Blickfeld fiktiv ein zentrales Achsenfeld herausisoliert werden kann, das annähernd mit der optischen Achse des optischen Systems übereinstimmt und die Form eines Kegels besitzt, dessen Spitze weitgehend ins Zentrum der Pupille mindestens eines Auges des Betrachters fällt und dessen Mantel zumindest teilweise im Sehfeld liegt und somit das Blickfeld fiktiv in mindestens zwei annähernd kegelförmige koaxiale Volumen aufgeteilt werden kann, nämlich

• - ein inneres Volumen, in dem nach Bestimmung der Blickrichtung die Funktion der Sehfeldverlagerung zumindest teilweise unterbunden wird,
• - ein peripheres Volumen, in dem nach Bestimmung der Blickrichtung das Einstellelement für die Sehfeldposition gegenüber dem Betrachtungsobjekt so nachgesteuert wird, daß der betrachtete Punkt in das innere Volumen und möglichst auf die optische Achse des optischen Systems verlagert wird.

Gegenstand der Erfindung sind weiterhin auch die Mittel zur Durchführung des Verfahrens.

Die nachfolgende Beschreibung eines Beispielfalles ohne Vollstän­ digkeitscharakter soll zum klareren Verständnis der Erfindung beitragen, wozu auch die beigefügten Zeichnungen mit folgenden Darstellungen dienen:

Fig. 1: Perspektivische Teildarstellung eines Gerätes, in dem die hier beschriebene Erfindung zur Anwendung kommt,

Fig. 2: grafische und schematische Darstellung eines von der Erfindung bewirkten Phänomens,

Fig. 3: Mittel zur technischen Realisierung des Verfahrens dieser Erfindung.

Auf den Zeichnungen ist ein Beobachtungsgerät (1) für mindestens eine Person (2) zu erkennen - den sogen. Betrachter eines Betrach­ tungsobjektes (3) - durch mindestens ein in das Gerät eingebautes optisches System (4).

Nach der Darstellung der Zeichnung ermöglicht das optische System (4) die Betrachtung des Objektes durch ein Okular (5) und zwar mit einem bestimmten und insbesondere einstellbaren Abbildungsmaßstab. Zu diesem Zweck besitzt das optische System z.B. mindestens eine Vorrichtung (6) zur Einstellung des Wertes des Abbildungsmaß­ stabes.

Bei einem beliebigen herkömmlichen optischen System bzw. zugehöri­ gen Okular wird ein Sehfeld (7) festgelegt, außerhalb dessen das Betrachtungsobjekt für das optische System und somit für das Auge des Betrachters nicht mehr erkennbar ist.

Das Sehfeld ist global gesehen durch eine konzentrisch um die optische Achse angeordnete kegelförmige Mantelfläche (7) begrenzt. Durch den Schnitt zwischen dem Sehfeld (7) und einer weitgehend senkrecht zur optischen Achse (9) des optischen Systems liegenden Ebene des Betrachtungsobjektes entsteht ein ebenfalls als Betrach­ tungsebene bezeichneter und z.B. kreisförmiger Bereich (10), auf dem bei der darauf ausgerichteten Schärfeneinstellung das vom Betrachter wahrgenommene Bild erscheint.

Somit besitzt das optische System mindestens eine Einstell­ vorrichtung (11) für die Bildschärfe, d.h. eine Vorrichtung zur Durchführung der Schärfeneinstellung in der Ebene (P) des Seh­ feldes (7).

Weiterhin ist zu erkennen, daß das Gerät (1) wiederum vorzugsweise über eine Vorrichtung zur Einstellung des Sehfeldes in Bezug auf das Betrachtungsobjekt verfügt, bzw. über eine Vorrichtung (12) zur relativen Verlagerung des Betrachtungsobjektes und des optischen Systems in Bezug auf eine senkrecht zur optischen Achse des o.a. optischen Systems verlaufenden Achse (A1, A2) und vorzugsweise in Bezug auf zwei ebenfalls senkrecht zueinander verlaufenden Achsen.

Obwohl nicht in allen Einzelheiten dargestellt, besitzt jede der Einstellvorrichtungen für Sehschärfe, Bildvergrößerung und rela­ tive Position von Sehfeld und Betrachtungsobjekt zueinander minde­ stens eine fernbedienbare Antriebsvorrichtung, z.B. in Form eines E-Motors.

Das Gerät besitzt weiterhin mindestens eine Vorrichtung (13) zur Bestimmung der Blickrichtung (D) des Betrachters.

Unter Blickrichtung ist die überwiegend vom Auge des Betrachters zur Betrachtung eines Punktes (A) in dem vom Sehfeld begrenzten Bereich gewählte Richtung zu verstehen.

Nach der Definition des Sehfeldes und somit im speziellen Falle eines optischen Systems liegt das Sehfeld (7) in dem größeren vom Betrachter erkennbaren räumlichen Volumen, dem Blickfeld (14). Es wird davon ausgegangen, daß das Blickfeld (14) konzentrisch um die optische Achse (9) des optischen Systems liegt.

Zur Steuerung mindestens einer der Einstellvorrichtungen des Gerätes über einen der darin integrierten Steuermodule (6a, 11a, 12a), d.h. die Steuervorrichtung (12) für die relative Position des Sehfeldes (7) in Bezug auf das Betrachtungsobjekt (3), die Steuervorrichtung (11) für die Schärfeneinstellung und die Steuer­ vorrichtung (6) für die Einstellung der Bildvergrößerung wird

• - in der Vorbereitungsphase mindestens ein Nachsteuerungsgesetz pro Einstellvorrichtung je nach Blickrichtung mindestens eines Betrachters definiert,
• - in der Ausführungsphase die Reaktion der jeweiligen Einstellvor­ richtung nach dem zuvor aufgrund der festgelegten Blickrichtung definierten Nachsteuerungsgesetz bewirkt.

Dadurch wird die Steuerung von Funktionen durch den Blick des Betrachters gewährleistet, deren korrekte Ausführung bei herkömm­ lichen Systemen eine manuelle Betätigung erfordert.

Um evtl. ungewollte Nachsteuerungen zu vermeiden, erfolgt vor der endgültigen Nachsteuerung jeder Einstellvorrichtung nach einer bestimmten vorgegebenen Zeit nach der ersten Blickrichtungsbestim­ mung mindestens eine zweite Blickrichtungsbestimmung und erst nach mindestens einer Überprüfung der Übereinstimmung dieser beiden die endgültige Nachsteuerung der jeweiligen Einstellvorrichtung nach dem zuvor erstellten Gesetz.

Dazu wird in regelmäßigen Zeitabständen die Blickrichtung (D) min­ destens eines Auges (8) des Betrachters (2) auf dem dem optischen System (4) zugeordneten Referenzsystem (R) bestimmt, auf das das Auge (8) des Betrachters blickt, um evtl. sporadische Blickrichtungs­ verlagerungen des Betrachters auszuschließen.

Vorzugsweise wird in der sog. Vorbereitungsphase mindestens ein fiktives dreidimensionales Referenzsystem (R) in Form von drei senkrecht zueinander stehenden Achsen x, y und z definiert, von der einerseits eine Achse weitestgehend parallel zu einer der Achsen (A1, A2) der potentiellen Verlagerung des Sehfeldes (7) liegt und andererseits der Ursprung (S) annähernd in den angenommenen Mit­ telpunkt der Pupille eines der Augen (8) des Betrachters fällt, wodurch die Bestimmung der Blickrichtung (D) des Auges (8) mit Hilfe des so definierten Referenzsystems (R) ermöglicht wird.

Entsprechend dieser Erfindung wird zur Steuerung der Verlagerung des Sehfeldes (7) auf einen vom Betrachter gewünschten Bereich des Betrachtungsobjekts in Bezug auf das dem jeweiligen optischen System (4) bei dessen Definition zugeordnete Referenzsystem (R) das Gesetz variabel je nach dem zwischen Blickrichtung und optischer Achse gemessenem Winkel angewandt, wodurch fiktiv im Blickfeld (14) zumindest ein Zentralfeld (15) herausgetrennt werden kann, dessen Achse annähernd mit der optischen Achse (9) des je­ weiligen optischen Systems (4) übereinstimmt, dessen Kegelspitze (S) weitgehend mit dem Mittelpunkt der Pupille mindestens eines Auges des Betrachters zusammenfällt und dessen Kegelmantel zumindest teilweise in dem Sehfeld (7) liegt, wodurch das Blick­ feld (14) fiktiv in annähernd mindestens zwei koaxiale Volu­ men (16, 17, 18) aufgeteilt werden kann, nämlich

• - ein inneres Volumen (16), in dem nach Bestimmung der Blickrichtung (D) die Funktion der Sehfeldverlagerung zumindest teilweise unterbunden wird,
• - ein peripheres Volumen (17, 18), in dem nach Bestimmung der Blickrichtung die Einstellvorrichtung (12) für die Position des Sehfeldes (7) in Bezug auf das Betrachtungsobjekt so nachge­ steuert wird, daß der Betrachtungspunkt in das mittlere Volumen (16) und vorzugsweise auf die optische Achse (9) des jeweiligen optischen Systems (4) fällt.

Für diese Verlagerung wird die Projektion auf den senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Achsen (A1, A2) bestimmt, wobei das Segment die Endpunkte der relativen Verlagerung des zu erhaltenden Sehfeldes verbindet.

Dadurch kann der Betrachter in dem durch die Sehfeldverlagerungs­ vorrichtungen gegebenen Bereich nicht nur einen gewünschten Punkt des Betrachtungsobjektes zum besseren Erkennen in den Mittelpunkt des Sehfeldes rücken, sondern auch jeden beliebigen Bereich des Betrachtungsobjektes visualisieren, der sich nicht im Sehfeld befindet.

Vorzugsweise wird entsprechend der Erfindung das Nachsteuerungs­ gesetz für die Vorrichtung zur Sehfeldverlagerung einerseits so angewandt, daß die räumliche Ausdehnung des sog. inneren Volumens (16) auf einen Raum im Zentrum des Sehfeldes (7) begrenzt wird und andererseits in dem verbleibenden peripheren Volumen fiktiv zwi­ schen zwei konzentrischen Volumen unterschieden werden kann, nämlich

• - einem sog. peripheren Zwischenvolumen (17), dessen äußerer Mantel weitgehend mit der Sehfeldbegrenzung zusammenfällt, während es im Inneren durch das innere Volumen (16) begrenzt wird und in dem durch die Herbeiführung der Blickachse eine langsame Verla­ gerung verursacht wird,
• - einem sog. peripheren Außenvolumen (18), dessen Außenmantel weitgehend mit der Blickfeldbegrenzung zusammenfällt, während es im Inneren durch das Sehfeld begrenzt wird und in dem durch die Herbeiführung der Blickachse eine schnelle Verlagerung verur­ sacht wird.

Bei einem Mikroskop wird durch die Begrenzung des Sehfeldes des optischen Systems die periphere Sicht des Betrachters einge­ schränkt, andererseits kann der Chirurg aufgrund seiner Erfahrung bezüglich des betrachteten Objektes auch außerhalb dieses Sehfel­ des einen Bereich des Betrachtungsobjektes bezeichnen, den er zu sehen wünscht.

Die bisher dargestellten Prinzipien des Verfahrens zur Nachsteue­ rung der Mikroskopbewegungen, die eine Verlagerung des Sehfeldes zur Folge haben, lassen sich aus folgendem Modell ableiten: Wird der Blick des Chirurgen außerhalb des Sehfeldes des Mikroskops erkannt, wird dies als Bestimmung eines Bereichs des Betrachtungs­ objektes in peripherer Sicht ausgelegt.

In diesem Falle verlagert sich mindestens eine der entsprechenden Vorrichtungen des Mikroskops mit maximaler Geschwindigkeit, um diesen Bereich in den Bereich des Sehfeldes zu bringen.

Wie weiter oben erläutert, wird vor der Ausführung dieses Befehls eine Verzögerung zur Bestätigung des Befehls zwischengeschaltet, um eventuelle Fehldeutungen auszuschließen.

Erscheint der bezeichnete Bereich im Sehfeld des Mikroskops, ist das zentrale Visionssystem des Betrachters in der Lage, das Erfassen, die Analyse und die Verfolgung des Betrachtungspunktes zu übernehmen, sofern die Verlagerungsgeschwindigkeit nicht zu hoch ist.

Um somit das Objekt zum besseren Betrachten in den Mittelpunkt des Mikroskop-Sehfeldes zu rücken, hat die Verlagerung ausreichend langsam zu erfolgen, um ein visuelles Verfolgen und eine Erkennung von Einzelheiten zu ermöglichen.

Hinsichtlich der Betrachtung kann somit der Blick des Chirurgen fiktiv in drei den Bewegungssteuerbefehlen der jeweiligen Ein­ stellelemente des Mikroskops entsprechende Bereiche aufgeteilt werden, nämlich

• - den Innenbereich, in dem keine Verlagerung ausgelöst wird,
• - den peripheren Zwischenbereich, in dem eine langsame Verlagerung zum Mittelpunkt des Sehfeldes ausgelöst wird,
• - den peripheren Außenbereich, in dem eine Verlagerung bei maximaler Geschwindigkeit bis zum peripheren Zwischenbereich ausgelöst wird.

Die verschiedenen, die jeweiligen Dimensionen der drei Bereiche bestimmenden Parameter, die Bestätigungszeit für den peripheren Außenbereich sowie die Verlagerungsgeschwindigkeit im peripheren Innenbereich können an jeden einzelnen Anwender angepaßt werden.

Diese Parameter müssen weiterhin der Vergrößerung des Bildes Rechnung tragen, das wiederum von der Einstellung des Zooms des Mikroskops, d.h. von den Elementen des optischen Systems abhängt, welche die Veränderung des Abbildungsmaßstabs des auf die Retina des Betrachterauges geworfenen Bildes bewirken.

Die Erfindung zielt weiterhin auch darauf ab, die Schärfeneinstel­ lung des betrachteten Bildes durch den Blick des Betrachters zu steuern.

Neben der Steuerung der Sehfeldverlagerung ist nämlich auch die Steuerung der Schärfeneinstellung durch den Blick insbesondere bei chirurgischen Operationen von Interesse.

So kann sich - beispielsweise bei einem intra-okularen Eingriff - der Fall ergeben, daß der Chirurg nacheinander in unterschiedli­ cher Tiefe operieren muß.

Um die Vorrichtungen zur Schärfeneinstellung entsprechend dieser Erfindung auf einer gegebenen, senkrecht zur optischen Achse (9) des jeweiligen optischen Systems (4) liegenden und folglich anderen als der vom Betrachter deutlich zu erkennenden Betrach­ tungsebene (P) zu steuern, wird

• - in regelmäßigen Abständen die Blickrichtung (D) beider Augen (8) des Betrachters bestimmt,
• - nach jeder Bestimmung die Vergenz des Blickes des Betrachters festgestellt beziehungsweise der Winkel (V) zwischen den beiden Blickrichtungen (D) der Augen (8) auf der die beiden Richtungen bildenden Ebene,
• - nach jeder Bestimmung des Vergenzwinkels der zuletzt bestimmte Winkel mindestens mit dem direkt davor bestimmten Winkel verglichen, um so jede Veränderung festzuhalten,
• - die Art der Veränderung des Vergenzwinkels (V), d.h. seine Vergrößerung bzw. Verringerung festgelegt, wobei einerseits bei Vergrößerung des Winkels die Schärfeneinstellvorrichtung so gesteuert wird, daß die den Augen des Betrachters näher als die bisher scharf abgebildete Betrachtungsebene (P) liegende Betrachtungsebene (P′) scharf abgebildet wird, während bei Verringerung des Vergenzwinkels (V) die Schärfeneinstellvor­ richtung so gesteuert wird, daß die von den Augen des Betrachters weiter entfernt als die bisher scharf dargestellte Betrachtungsebene (P) liegende Betrachtungsebene (P′′) scharf abgebildet und andererseits bei keiner festgestellten Veränderung die bisherige Schärfeneinstellung beibehalten wird.

Gemäß dieser Erfindung wird vorzugsweise zusätzlich zur Erkennung der Art der Veränderung des Vergenzwinkels die Erkennung und Messung der Amplitude dieser Veränderung durchgeführt, woraus auf dem Rechnungsweg der Verlagerungswert der Elemente bestimmt wird, die insbesondere im Inneren des optischen Systems die Schärfenein­ stellung unter Nachsteuerung der Schärfeneinstellvorrichtungen (11) bewirken.

Diese Lösung für die Schärfeneinstellung wird dadurch begünstigt, daß die Vergrößerung in Achsrichtung der Mikroskop-Optik im Allgemeinen dem Quadrat der Vergrößerung in Querrichtung ent­ spricht, wodurch eine Verstärkung der Vergenzbewegungen erzeugt und somit deren Erkennung begünstigt wird.

Folglich muß zur Steuerung der Bildschärfeneinstellung durch den Blick das auszurüstende Betrachtungsgerät über zwei Okulare (5) verfügen.

Zur Verlagerung des Sehfeldes entsprechend dieser Erfindung wird die mittlere Blickrichtung (D) jedes der beiden Augen des Betrachters ermittelt.

Zur Nachsteuerung der Einstellvorrichtungen für die Vergrößerung wird

• - in der Vorbereitungsphase mindestens ein spezifisches Verfahren der Blickverlagerung des Betrachters definiert, d.h. ein Verfahren, an das sich der Betrachter halten muß, um die Einstellung der Vergrößerung zu bewirken,
• - in der Ausführungsphase die Durchführung dieses Verfahrens überwacht und bei dessen Erkennung die gewünschte Vergröße­ rungsfunktion ausgelöst.

Vorzugsweise, aber nicht beschränkend für die Erfindung, ist die Vorrichtung (13) zur Bestimmung der Blickrichtung derart ausgelegt, daß zur Erkennung der Blickrichtung mindestens ein Auge des Betrachters über eine Infrarot-Lichtquelle (19) angestrahlt und anschließend mit einer Kamera das Bild des betreffenden Auges mit der Pupille und der Reflexion der Lichtquelle (19) auf der Hornhaut aufgenommen wird, um auf analytischem Weg die Position von Pupillenmitte und reflektiertem Bild zu bestimmen und daraus die Blickrichtung abzuleiten.

Weiterhin, aber nicht beschränkend für die Erfindung, wird zur Bestimmung der Blickrichtung jeden Auges des Betrachters in dem von ihm benutzten optischen System jedem Auge (8) ein Okular (5) zugeordnet, woraufhin

• - einerseits beim Okular (5) des jeweils eingesetzten optischen Systems (4) auf der Lichtstrecke des über das Auge (8) betrachteten Bildes mindestens eine halbtransparente Platte (20) für das vom Bild kommende Licht eingebaut und so ausgerichtet wird, daß das Bild weitgehend radial zur optischen Achse (9) des optischen Systems (4) auf eine zweite Platte (21) geworfen wird, über die mindestens eine Kamera (22) mit dem vom Auge kommenden Licht angestrahlt wird und
• - andererseits bei der o.a. zweiten Platte (21), aber außerhalb des vom Auge reflektierten Lichtstrahls eine vorzugsweise für das Auge unsichtbare Lichtquelle (19) aufgestellt wird, deren Lichtstrahl die zweite Platte (21) durchdringt und das Auge des Betrachters durch Reflexion der ersten, beim Okular (5) angebrachten Platte (20) anstrahlt.

Daraus ist ersichtlich, daß der auf der Hornhaut reflektierte Strahl der Lichtquelle (19) von einer Kamera (22) über die Reflexion der ersten (20) und zweiten (21) Platte aufgenommen werden kann.

Die Kamera (22) ist beispielsweise in Form eines Ladungssensors ausgeführt.

Die Strahlungsquelle (19) ist beispielsweise in Form einer Leuchtdiode ausgeführt.

Das Gehäuse (23) zur Aufnahme der halbtransparenten Platten (20, 21) sowie der Strahlungsquelle (19) und der Kamera (22) ist bei jedem Okular so angebracht, daß die Sicht des Auges und das Sehfeld dadurch nicht behindert werden.

Vorzugsweise ist der die beiden halbtransparenten Platten (20, 21) und die Strahlungsquelle (19) aufnehmende Teil (24) des Gehäuses (23) radial zur optischen Achse in Richtung Temporalis des Auges ausgerichtet.

Der die Kamera aufnehmende Teil (25) des Gehäuses (23) hingegen ist auf Höhe des Okulars parallel zum optischen System angeordnet. Die Vorrichtungen, an die die Erfindung angegliedert ist, bestehen hauptsächlich aus einer Vorrichtung (26) zur Bestimmung der Blickrichtung auf einem fiktiven dreidimensionalen Referenzsystem,

• - von dem eine der drei in x-, y- und z-Richtung verlaufenden Achsen einerseits weitgehend mit der optischen Achse (9) mindestens eines optischen Systems (4) zusammenfällt und die beiden anderen Achsen jeweils weitgehend parallel zu den Achsen (A1) bzw. (A2) bei der potentiellen Verlagerung des Sehfeldes (7) verlaufen und
• - deren Ursprung (S) andererseits annähernd mit dem angenommenen Mittelpunkt der Pupille des Auges (8) des Betrachters zusammenfällt.

Die Mittel zur technischen Realisierung der Erfindung beinhalten insbesondere mindestens einen Datenspeicher (27) für die Referenzwerte des vorher definierten Referenzsystems sowie mindestens ein Nachsteuerungsgesetz für jede Einstellvorrichtung je nach Blickrichtung.

Diese Mittel beinhalten weiterhin mindestens ein Mittel (28) zur Bestimmung der Blickbeständigkeit in einer bestimmten Richtung.

Weiterhin beinhalten diese Mittel zur technischen Realisierung der Erfindung

• - mindestens eine Vorrichtung (30) zur Bestimmung der Vergenz der Augen des Betrachters,
• - mindestens eine Vorrichtung (31) zur Bestimmung der Vergenzveränderung der Augen des Betrachters,
• - mindestens eine Vorrichtung (32) zur Berechnung der Lage der Bildschärfeebene nach der Veränderung des Vergenzwinkels und der Schärfeneinstellung (11) nach der berechneten Lage der Bildschärfenebene.

Weiterhin vorteilhaft bei der technischen Realisierung der Erfindung ist einerseits - zur Steuerung der Veränderung der Vergrößerung - die Verwendung mindestens eines Datenspeichers (33) für das spezifische Verfahren der Blickverlagerung des Betrachters, an das sich der Betrachter halten muß, um eine Veränderung der Vergrößerung zu bewirken, und andererseits die Verwendung einer Vorrichtung zur Überwachung und Erkennung (nicht dargestellt) der Durchführung dieses Verfahrens, um die Einstellung der Vergrößerung zu bewirken.

Die Mittel beinhalten außerdem - beim Okular (5) mindestens eines optischen Systems (4) - mindestens eine Vorrichtung (23) mit mindestens einer ersten halbtransparenten Platte (20) auf dem Lichtstrahl des vom Auge betrachteten und so reflektierten Objektbildes, daß es das Bild des Auges weitgehend radial zur optischen Achse des optischen Systems auf eine zweite halbtransparente Platte (21) wirft, die wiederum so angeordnet ist, daß sie mindestens eine an die Vorrichtung (13) zur Blickrichtungsbestimmung angeschlossene Kamera (22) anstrahlt, wobei sich hinter der zweiten Platte (21), d.h. außerhalb des Lichtstrahls zur Kamera hin mindestens eine Infrarotlichtquelle befindet, die auf die erste Platte (20) ausgerichtet ist, um das Auge durch Reflexion zu beleuchten.

Aus den Zeichnungen ist zu erkennen, daß bestimmte, nicht auf dem Plan enthaltene Achsen gebrochen dargestellt sind, jedoch in Wirklichkeit als senkrecht zur Zeichnungsfläche liegend angesehen werden können.

Weiterhin ist in Fig. 3 zu erkennen, daß das die Kamera (22) dar­ stellende Symbol doppelt gezeichnet ist, um die beiden den Okularen zugeordneten Kameras zu versinnbildlichen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Nachsteuerung von fernbedienbaren Einstell­ vorrichtungen eines Beobachtungsgerätes zum Betrachten eines Objektes durch mindestens eine Person mittels min­ destens eines optischen Systems,
wobei die Einstellvorrichtungen die Einstellparameter, insbesondere Schärfe, Vergrößerung des Bildes von dem betrachteten Objekt und relative Lage des durch das opti­ sche System bestimmten Sehfeldes in Bezug auf das betrach­ tete Objekt, beeinflussen,
und wobei mindestens eine Vorrichtung vorgesehen ist, die die Augenstellung der Person in Bezug auf ein das Sehfeld umfassendes Blickfeld erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Ausführungsphase automatisch die Nachsteuerung mindestens eines Einstellparameters durch die entsprechende Einstellvorrichtung entsprechend der erfaßten Augenstellung der Person bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Vorbereitungsphase mindestens ein Nachsteuerungsge­ setz pro Einstellvorrichtung entsprechend der Augenstellung definiert wird und die Nachsteuerung gemäß dem definierten Nachsteuerungsgesetz erfolgt.

3. Verfahren zur Nachsteuerung von Einstellvorrichtungen eines Beobachtungsgerätes (1) zur Betrachtung eines Objek­ tes (3) durch den Blick mindestens einer Person (2) durch mindestens ein optisches System (4), wobei das optische System mindestens ein Sehfeld (7) bestimmt, welches durch eine insgesamt gesehen hauptsächlich kegelförmige Außen­ fläche begrenzt ist und konzentrisch um die optische Achse (9) des optischen Systems liegt, wobei das Sehfeld (7) in einem Blickfeld (14) liegt, das wiederum annähernd achsparallel zum Sehfeld (7) liegt, dergestalt daß der Mantel des Blickfeldes (14) das größte vom optischen System erfaßbare räumliche Volumen bestimmt, wobei das Gerät unter anderem folgende Teile enthält:

• - einerseits mindestens eine mit mindestens einem Modul (11a, 12a, 6a) zur Fernsteuerung versehene Einstell­ vorrichtung wie
  • - eine Vorrichtung (11) zur Einstellung der Schärfe und/oder Anzeige eines scharfen Bildes,
  • - eine Vorrichtung (12) zur Einstellung der rela­ tiven Lage des Sehfeldes (7) in Bezug auf das Betrachtungsobjekt (3), insbesondere in mindestens einer weitgehend senkrecht zur optischen Achse (9) des optischen Systems verlaufenden Richtung (D),
  • - eine Vorrichtung (6) zur Einstellung der Vergrö­ ßerung des Bildes des vom Auge (8) des Betrach­ ters wahrgenommenen Objektes, sowie
• - andererseits mindestens eine Vorrichtung (13) zur Bestimmung einer Blickrichtung (D) im Blickfeld (14), nach welchem Verfahren zur Nachsteuerung mindestens einer der Einstellvorrichtungen (11, 12, 6) des Ge­ rätes über den jeweiligen Steuermodul (6a, 11a, 12a) in einer Vorbereitungsphase
  • - mindestens ein fiktives dreidimensionales Referenzsystem (R) definiert wird, insbesondere in Form von drei senkrecht zueinanderstehenden Achsen (x, y, z), von denen einerseits eine Achse weitgehend mit der optischen Achse (9) mindestens eines optischen Systems (4) zusammen­ fällt und die beiden anderen Achsen jeweils weitgehend parallel zu den Achsen (A1) bzw. (A2) der potentiellen Verlagerung des Sehfeldes (7) verlaufen und deren Ursprung (S) andererseits annähernd mit dem angenommenen Mittelpunkt der Pupille des Auges (8) des Betrachters zusammen­ fällt, so daß auf diese Weise die Blickrichtung (D) des Betrachterauges (8) mit Hilfe des Refe­ renzssystems (R) bestimmt werden kann,
  • - mindestens ein Nachsteuerungsgesetz pro Einstell­ vorrichtung entsprechend der Blickrichtung min­ destens eines Betrachters definiert wird,
• - in einer Ausführungsphase die Nachsteuerung jeder Einstellvorrichtung nach dem zuvor erstellten Gesetz und je nach festgestellter Blickrichtung bewirkt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Verlagerung des Sehfeldes (7) auf einen Bereich des Objektes, den der Betrachter als Sichtbereich in Bezug auf das dem jeweiligen optischen System (4) bei dessen Definition zugeordnete Referenzsystem (R) anzuwählen wünscht, das Nachsteuerungsgesetz auf variable Weise entsprechend der Größe des zwischen Blickrichtung und optischer Achse gemessenen Winkels angepaßt wird, wodurch fiktiv im Blickfeld (14) zumindest ein Zentralfeld (15) herausgetrennt werden kann, dessen Achse annähernd mit der optischen Achse (9) des jeweiligen optischen Systems (4) übereinstimmt, dessen Kegelspitze (S) weitgehend mit dem Mittelpunkt der Pupille mindestens eines Auges des Betrachters zusammenfällt und dessen Kegelmantel zumindest teilweise in dem Sehfeld (7) liegt, wo­ durch das Blickfeld (14) fiktiv in mindestens zwei annähernd koaxiale Volumina, nämlich ein inneres Volumen (16) und ein peripheres Volumen (17, 18) aufgeteilt werden kann, wobei

• - die Funktion der Sehfeldverlagerung zumindest teilweise unterbunden wird, wenn die Blickrichtung (D) im inneren Volumen (16) detektiert wird,
• - die Einstellvorrichtung (12) für die Position des Sehfeldes (7) in Bezug auf das Betrachtungsobjekt (3) so nachge­ steuert wird, daß der Betrachtungspunkt in das innere Volumen (16) und vorzugsweise auf die optische Achse (9) des jeweiligen optischen Systems (4) fällt, wenn die Blick­ richtung (D) im peripheren Volumen (17, 18) detektiert wird.

4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die räumliche Ausdehnung des inneren Volu­ mens (16) auf einen Raum im Zentrum des Sehfeldes (7) begrenzt wird und andererseits in dem verbleibenden peri­ pheren Volumen fiktiv zwischen zwei konzentrischen Volumen unterschieden werden kann, nämlich

• - einem peripheren Zwischenvolumen (17), dessen äußerer Mantel weitgehend mit der Sehfeldbegrenzung zusammen­ fällt, während es im Inneren durch das innere Volumen (16) begrenzt wird und in dem durch die Herbeiführung der Blickachse eine langsame Verlagerung bewirkt wird,
• - einem peripheren Außenvolumen (18), dessen Außenmantel weitgehend mit der Blickfeldbegrenzung zusammenfällt, während es im Inneren durch das Sehfeld begrenzt wird und in dem durch die Herbeiführung der Blickachse eine schnelle Verlagerung bewirkt wird.

5. Nachsteuerungsverfahren von Einstellvorrichtungen eines Beobachtungsgerätes (1) zur Betrachtung eines Objektes (3) durch den Blick mindestens einer Person (2) durch ein optisches System (4), wobei das optische System mindestens ein Sehfeld (7) bestimmt, welches durch eine insgesamt gesehen hauptsächlich kegelförmige Außenfläche begrenzt ist und konzentrisch um die optische Achse (9) des opti­ schen Systems liegt, wobei das Sehfeld (7) in einem Blickfeld (14) liegt, das wiederum annähernd achsparallel zum Sehfeld (7) liegt, dergestalt, daß der Mantel des Blickfeldes (14) das größte vom optischen System erfaßbare räumliche Volumen bestimmt, wobei das Gerät unter anderem folgende Teile enthält:

• - einerseits mindestens eine mit mindestens einem Modul (11a, 12a, 6a) zur Fernsteuerung versehene Einstell­ vorrichtung wie
  • - eine Vorrichtung (11) zur Einstellung der Schärfe und/oder Anzeige eines scharfen Bildes,
  • - eine Vorrichtung (12) zur Einstellung der rela­ tiven Lage des Sehfeldes (7) in Bezug auf das Betrachtungsobjekt (3), insbesondere in minde­ stens einer weitgehend senkrecht zur optischen Achse (9) des optischen Systems verlaufenden Richtung (D),
  • - eine Vorrichtung (6) zur Einstellung der Vergrö­ ßerung des Bildes des vom Auge (8) des Betrach­ ters wahrgenommenen Objektes, sowie
• - andererseits mindestens eine Vorrichtung (13) zur Bestimmung einer Blickrichtung (D) im Blickfeld (14), nach welchem Verfahren zur Nachsteuerung mindestens einer der Einstellvorrichtungen (11, 12, 6) des Gerä­ tes über den jeweiligen Steuermodul (6a, 11a, 12a) in einer Vorbereitungsphase
  • - mindestens ein fiktives dreidimensionales Refe­ renzsystem (R) definiert wird, insbesondere in Form von drei senkrecht zueinanderstehenden Achsen (x, y, z), von denen einerseits eine Achse weitgehend mit der optischen Achse (9) mindestens eines optischen Systems (4) zusammen­ fällt und die beiden anderen Achsen jeweils weitgehend parallel zu den Achsen (A1) bzw. (A2) der potentiellen Verlagerung des Sehfeldes (7) verlaufen und deren Ursprung (S) andererseits annähernd mit dem angenommenen Mittelpunkt der Pupille des Auges (8) des Betrachters zusammen­ fällt, so daß auf diese Weise die Blickrichtung (D) des Betrachterauges (8) mit Hilfe des Refe­ renzsystems (R) bestimmt werden kann,
  • - mindestens ein Nachsteuerungsgesetz pro Einstell­ vorrichtung entsprechend der Blickrichtung min­ destens eines Betrachters definiert wird,
• - in einer Ausführungsphase die Nachsteuerung jeder Einstellvorrichtung nach dem zuvor erstellten Gesetz und je nach festgestellter Blickrichtung bewirkt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Schärfeneinstel­ lung bzw. Anzeige eines scharfen Bildes auf einer gegebenen, senkrecht zur optischen Achse (9) des jeweiligen optischen Systems (4) liegenden und folglich anderen als der vom Betrach­ ter deutlich zu erkennenden Betrachtungsebene (P)

• - in regelmäßigen Abständen die Blickrichtung (D) beider Augen (8) des Betrachters bestimmt wird,
• - nach jeder Bestimmung die Vergenz des Blickes des Betrachters beziehungsweise der Winkel (V) zwischen den beiden Blickrichtungen (D) der Augen (8) auf der die beiden Richtungen bildenden Ebene festgestellt wird,
• - nach jeder Bestimmung des Vergenzwinkels der zuletzt bestimmte Winkel mindestens mit dem direkt davor bestimmten Winkel verglichen wird, um so jede Verän­ derung festzuhalten,
• - die Art der Veränderung des Vergenzwinkels (V), d.h. seine Vergrößerung bzw. Verringerung festgelegt wird, wobei einerseits bei Vergrößerung des Winkels die Schärfeneinstellvorrichtung so gesteuert wird, daß die den Augen des Betrachters näher als die bisher scharf abgebildete Betrachtungsebene (P) liegende Betrachtungsebene (P′) scharf abgebildet wird, während bei Verringerung des Vergenzwinkels (V) die Schärfen­ einstellvorrichtung so gesteuert wird, daß die von den Augen des Betrachters weiter entfernt als die bisher scharf dargestellte Betrachtungsebene (P) liegende Betrachtungsebene (P′′) scharf abgebildet und andererseits bei keiner festgestellten Veränderung die bisherige Schärfeneinstellung beibehalten wird.

6. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Erkennung der Art der Veränderung des Vergenzwinkels die Erkennung und Messung der Amplitude dieser Veränderung durchgeführt wird, woraus insbesondere rechnerisch der Verlagerungswert der Elemente bestimmt wird, die insbesondere im Inneren des optischen Systems die Schärfeneinstellung unter Nachsteuerung der Schärfenein­ stellvorrichtungen (11) bewirken.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachsteuerung der Einstell­ vorrichtung für die Vergrößerung

• - in der Vorbereitungsphase mindestens ein spezifisches Verfahren der Blickverlagerung des Betrachters defi­ niert wird, d.h. ein Verfahren, an das sich der Be­ trachter halten muß, um die Einstellung der Vergrö­ ßerung zu bewirken,
• - in der Ausführungsphase die Durchführung dieses Ver­ fahrens überwacht und bei dessen Erkennung die gewün­ schte Vergrößerungsfunktion ausgelöst wird.

8. Mittel zur technischen Realisierung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens ein Datenspeicher (27) für die Referenzwerte der vorher definierten Markierung sowie mindestens ein Nachsteuerungsgesetz für jede Einstellvor­ richtung je nach Blickrichtung vorgesehen sind.

9. Mittel zur technischen Realisierung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß

• - mindestens eine Vorrichtung (30) zur Bestimmung der Vergenz der Augen des Betrachters vorgesehen ist,
• - mindestens eine Vorrichtung (31) zur Bestimmung der Vergenzveränderung der Augen des Betrachters vorge­ sehen ist,
• - mindestens eine Vorrichtung (32) zur Berechnung der Lage der Bildschärfeebene nach der Veränderung des Vergenzwinkels und der Schärfeneinstellung (11) nach der berechneten Lage der Bildschärfenebene vorgesehen ist.