DE4319566A1 - Anordnung zur Darstellung stereomikroskopischer Bilder und deren Speicherung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Darstellung stereomikroskopischer Bilder und de­ ren Speicherung.

Sie findet Anwendung bei einkanaligen Mikroskopsystemen, insbesondere bei einobjektivi­ gen Lichtmikroskopen.

Die bekannten Anordnungen zur Darstellung räumlicher Bilder verwenden entweder Zeitpa­ rallel- oder Zeitmultiplextechniken.

Die Anwendung zeitparalleler Techniken tritt zunehmend zugunsten letzterer in den Hinter­ grund.

Bei Zeitmultiplextechniken umfaßt die Darstellung räumlicher Bilder den Prozeß der Gene­ rierung und zeitsequenziell alternierenden Wiedergabe stereoskopischer Raumbildpaare mit parallaktischer Differenz (s. DE 38 08 969 C1 und DE 41 34 033 C1).

Die parallaktischen Teilbilder eines Raumbildpaares werden dabei von zwei separaten Vi­ deokameras aufgenommen und über eine Umschalteinheit zur zeitlich sequentiellen Verar­ beitung der Wiedergabe über einen Monitor zugeführt.

Bei der Anwendung derartiger Anordnungen in der Mikroskopie ist es nachteilig, daß zwei getrennte optische Systeme vorhanden sein müssen.

Die Darstellung stereoskopischer Bilder mit videotechnischen Mitteln ist daher durch die Anwendung zweikanaliger optischer Systeme, z. B. Greenough-Mikroskop, auf eine Ver­ größerung von etwa 200fach beschränkt.

Die Beobachtung räumlicher Bilder aus einkanaligen Mikroskopsystemen ist ebenfalls be­ kannt (Patentanmeldung P 4311 603).

Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, welche bei hohen Vergrößerungen neben der Beobachtung auch die Darstellung und Speicherung stereomikroskopischer Bil­ der und Bewegungsabläufe erlaubt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einkanaligen Mikroskopsystemen, insbeson­ dere bei einem einobjektivigen Lichtmikroskop die zeitlich serielle Generierung stereoskopi­ scher Raumbildpaare mit deren Aufnahme, Wiedergabe und Speicherung durch video­ technische Mittel zu verbinden.

Die Aufgabe löst eine stereoskopische Anordnung, bei der im dingseitigen Strahlengang ei­ nes einobjektivigen Lichtmikroskops in der Objektebene ein Objekttranslator und im abbil­ dungsseitigen Strahlengang eine Videokamera angeordnet und durch eine elektronische Steuerung phasenstarr gekoppelt sind.

Durch die Anordnung erfolgt erfindungsgemäß die zeitgleiche Generierung und Aufnahme der stereoskopischen Teilbilder des mikroskopischen Objektes. Dabei ist die Folgefrequenz der durch einen Objekttranslator erzeugten stereoskopischen Teilbilder durch den Zeitrah­ men der durch die Videokamera verwendeten Videonorm einerseits und durch die Art der Weiterverarbeitung des Videosignals zur flimmerfreien Darstellung andererseits festgelegt.

Die Vorteile der Anordnung entsprechen denen nach Patentanmeldung P 4311 603, wobei zusätzlich die Möglichkeit der Speicherung räumlicher Bilder mikroskopischer Objekte und deren Bewegungsabläufe, einschließlich Zeitraffer und Zeitlupe, sowie deren elektronische Zwischen- und Weiterverarbeitung gegeben ist.

Die stereoskopische Anordnung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine mögliche Variante des Strahlengangs eines einkanaligen Mi­ kroskopsystems, hier am Beispiel eines einobjektivigen Lichtmikroskops, mit der erfin­ dungsgemäßen Anordnung der entsprechenden Elemente.

Die bekannte Anordnung des Lichtmikroskops ist durch die Lichtquelle 1, Kollektor 2, Kon­ densor 3, Objektiv 4 und Tubuslinse 5 schematisch dargestellt. Der Binokulartubus des Mi­ kroskops mit den Prismen P₁-P₃ und den Okularen O_L und O_R enthält den elektroopti­ schen Strahlengangumschalter, bestehend aus dem Polarisations-Strahlteilerprisma P₂ mit Polarisations-Strahlteilerschicht 6, dem elektrooptischen Modulator 7 und dem Polarisati­ onsfilter 9.

Entsprechend Patentanmeldung P 4311 603 ist der binokulare, elektrooptische Strahlen­ gangumschalter über die elektronische Steuerung 12 mit dem Objekttranslator 8 gekoppelt. Diese Anordnung dient der direkten, binokularen Beobachtung stereomikroskopischer Bil­ der.

Zu deren Darstellung und Speicherung ist der Abbildungsstrahlengang über den im Fototu­ bus des Mikroskops enthaltenen Auskoppelspiegel 10 zur Videokamera 11 geführt. Der Ausgang der Videokamera 11 ist gleichzeitig mit der elektronischen Steuerung 12 und dem Videorecorder 14 verbunden. Die Zeitablaufsteuerung 13 steuert gleichzeitig die Funk­ tion der elektronischen Steuerung 12 und die des Videorecorders 14. Das Videosignal kann wahlweise entweder durch die Videokamera 11, oder durch Abspielen des Videorecorders 14 der Wiedergabeeinheit 18 übergeben werden.

Die Wiedergabeeinheit besteht aus dem 100-Hz-Stereobildkonverter 15, dem 100-Hz-Monitor 16 und der elektrooptischen Umschalteinheit 17.

Der 100-Hz-Stereobildkonverter 15 beinhaltet die Steuerung zur Synchronisation der elek­ trooptischen Umschalteinheit 17.

Die Funktion des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels wird im folgenden erläutert, wobei als mögliche Variante angenommen wird, daß eine Videokamera mit CVBS-Pal-Si­ gnal nach CCIR 601 und ein 100-Hz-Stereobildkonverter mit Videohalbbildspeicherung ein­ gesetzt werden.

Das Ausgangssignal der Videokamera 11 wird der elektronischen Steuerung 12 zugeführt, welche den vertikalen Synchronimpuls des Bildsignals auswertet und danach den Objekt­ translator 8 steuert.

Der Objekttranslator 8 bewegt das mikroskopische Objekt lateral zur optischen Achse des Mikroskopsystems und generiert dadurch Raumbildpaare mit stufenlos einstellbarer pa­ rallaktischer Differenz.

Die Folgefrequenz der Bildgenerierung durch den Objekttranslator 8 entspricht der des ver­ tikalen Synchronimpulses aus dem CVBS-Signal der Videokamera 11.

Die Größe der lateralen Verschiebung des Objekttranslators wird durch die Ausgangsampli­ tude des Verstärkers bestimmt, der in der elektronischen Steuerung 12 enthalten ist. Durch Regelung der elektronischen Verstärkung ist eine Anpassung an die jeweils verwen­ dete Mikroskopvergrößerung und eine Variation des Raumtiefeneindrucks entsprechend dem Strukturierungsgrad des mikroskopischen Objektes möglich.

Je höher die Mikroskopvergrößerung, desto geringer ist die notwendige laterale Verschie­ bung des Objekttranslators 8 zur Erzeugung der parallaktischen Differenz des stereoskopi­ schen Raumbildpaares.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines lateral-achsenparallel arbeitenden Objekttranslators mit piezoelektrischen Antrieben.

Das mikroskopische Objekt 1 befindet sich auf dem Objektträger 2, der in einem Aufnahme­ rahmen 3 befestigt ist. Dieser bildet mit den Blattfedern 5 und 5′, und dem Grundrahmen 6 ein in X-Richtung schwingfähiges Parallelogramm, in Y- und Z-Richtung aber eine genaue Objektführung ohne Lose.

Der Aufnahmerahmen 3 wird mit dem piezoelektrischen Aktuator 4 lateral verschoben. Die dynamischen Eigenschaften des schwingfähigen Systems werden mit der einstellbaren Fe­ der 7 abgestimmt.

Zur Erweiterung der Raumtiefe des stereomikroskopischen Bildes wird zusätzlich zur latera­ len Objektbewegung eine für jedes Teilbild des Raumbildpaares unterschiedlich einstellbare achsenparallele Bewegung überlagert, so daß stereoskopische Teilbilder mit alternierend, dicht hintereinander liegenden Tiefenschärfeebenen generiert werden.

Die achsenparallele Bewegung des Objekttranslators wird durch drei in Z-Richtung wirken­ de piezoelektrische Aktuatoren 8a-8c ausgeführt.

Die Bewegung in beiden Achsen erfolgt zeitlich synchron. Die dynamischen Eigenschaften des in Z-Richtung schwingfähigen Systems werden mit den einstellbaren Federn 9a-9c ab­ gestimmt, welche die Grundplatte 10 gegen den Grundrahmen 6 fixieren.

Die Steuerzeiten des Objekttranslators 8 sind nicht nur von der Videonorm der verwendeten Videokamera 11, sondern auch von der im Stereobildkonverter 15 eingesetz­ ten Speichertechnik abhängig.

Bei der eingangs für das Ausführungsbeispiel angenommenen Betriebsart für die Videoka­ mera 11 und den Stereobildkonverter 15, ergibt sich für jedes durch den Objekttranslator 8 erzeugte stereoskopische Teilbild ein Videohalbbild.

Entsprechend Fig. 3 wird daher die Umschaltung des Objekttranslators 8 durch Verarbei­ tung des vertikalen Synchronimpulses des Bildsignals der Videokamera 11 ausgelöst. Zeit­ gleich zur lateralen Umschaltung des Objekttranslators durch den piezoelektrischen Aktua­ tor 4 erfolgt die achsenparallele Umschaltung durch die drei in Z-Richtung arbeitenden pie­ zoelektrischen Aktuatoren 8a-8c. Die Größe der achsenparallelen Verschiebung wird durch die Ausgangsamplitude eines zweiten Verstärkers bestimmt, der ebenfalls in der elektroni­ schen Steuerung 12 enthalten ist. Sie ist ebenfalls wie die laterale Verschiebung von der jeweils verwendeten Mikroskopvergrößerung abhängig.

Der Bildinhalt des dadurch entstehenden Videosignals besteht somit aus einer Folge ste­ reoskopischer Raumbildpaare, wobei jedes Videovollbild einem stereoskopischen Raum­ bildpaar entspricht und normgerecht auf einem handelsüblichen Videorecorder gespeichert werden kann. Die durch den Videorecorder üblicherweise ausgeführten Funktionen der Standbildwiedergabe oder Einzelbildfortschaltung bleiben für stereomikroskopische Bilder erhalten.

Die Echtzeitspeicherung stereomikroskopischer Bewegungsabläufe wird durch eine direkte zeitraffergesteuerte Speicherung ergänzt.

Durch die Zeitablaufsteuerung 13 wird in einem zyklischen Zeitintervall die vertikale Syn­ chronisation des CVBS-Signals der Videokamera 11 getort und gleichzeitig der auf Einzel­ bildaufnahme geschaltete Videorecorder 14 gesteuert.

Der Videorecorder 14 nimmt daher eine Folge einzelner stereoskopischer Raumbildpaare auf, wobei jedes Raumbildpaar einem Videovollbild mit einem durch die Zeitablaufsteuerung 13 vorgegebenen Aufnahmeabstand entspricht. Die Zeitablaufsteuerung 13 kann auch durch eine Vorrichtung zur Bewegungsdetektion im Videobild ersetzt werden. Die Steue­ rung erfolgt dabei durch eine einstellbare Schwelle so, daß bei einem gewissen Ausmaß an Bildveränderung, verglichen mit dem zuletzt aufgenommenen Videobild ein weiteres stereoskopisches Raumbildpaar aufgenommen wird.

Die Funktion der Wiedergabeeinheit dient der flimmerfreien Darstellung der stereomikro­ skopischen Bilder. Sie umfaßt den 100-Hz-Stereobildkonverter 15 mit Steuerung der elek­ trooptischen Umschalteinheit 17 und dem 100-Hz-Monitor 16.

Derartige Anordnungen beinhalten unter anderem Vorrichtungen nach DE 38 08 969 C1 oder DE 41 34 033 C1.

Die flimmerfreie Darstellung des stereoskopischen Videobildes wird durch eine Verdopp­ lung der Bildauslesefrequenz des Videosignals erreicht. Dazu werden geeignete Videobild­ speichertechniken eingesetzt. Gleichzeitig erfolgt die Steuerung der elektrooptischen Um­ schalteinheit 17, welche schnelle elektrooptische Modulatoren enthält, so daß die syn­ chrone, alternierende Zuordnung der beiden sequentiell auf dem Monitor 16 wiedergege­ benen stereoskopischen Teilbilder, für die Augen des Beobachters gewährleistet wird.

Die Folgefrequenz der Generierung stereomikroskopischer Raumbildpaare durch den Ob­ jekttranslator 8 ist bei diesem Ausführungsbeispiel im Vergleich zur Bildwiedergabefrequenz durch den Monitor 16 halbiert.

Wird zur Stereobildkonvertierung eine Videovollbildspeichertechnik eingesetzt, beträgt sie nur noch ein Viertel der zur flimmerfreien Darstellung notwendigen Bildwiedergabefrequenz. Durch die üblicherweise im Fototubus des Mikroskops enthaltene Strahlengangumschal­ tung ist wahlweise die direkte binokulare stereoskopische Beobachtung, oder die video­ technische Darstellung und Speicherung stereomikroskopischer Bilder möglich. Dazu wird die Steuerung des Objekttranslators 8 durch die elektronische Steuerung 12 mit einer in dieser enthaltenen Vorrichtung zur Umschaltung der Synchronisation zwischen interner Takterzeugung und externer, vom Bildsignal der Videokamera 12 abgeleiteten Takterzeu­ gung, umgeschaltet.

Claims (7)

1. Stereoskopische Anordnung zur räumlichen Beobachtung mikroskopischer Objekte nach Patentanmeldung P 4311 603, bestehend aus einem einkanaligen Mikroskopsystem, gekennzeichnet dadurch, daß zur Darstellung der stereomikroskopischen Bilder und deren Speicherung im dingseiti­ gen Strahlengang in der Objektebene ein Objekttranslator und im abbildungsseitigen Strahlengang eine Videokamera angeordnet und durch eine elektronische Steuerung pha­ senstarr gekoppelt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei externer Takterzeugung der elektronischen Steuerung die zeitliche Folge der durch den Objekttranslator alternierend erzeugten stereoskopischen Teilbilder mit der vertikalen Synchronisation des CVBS-Signals der Videokamera gekoppelt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die elektronische Steuerung eine Vorrichtung zur Umschaltung zwischen interner und externer Takterzeugung umfaßt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Aufnahmezyklus des Videorecorders und die Funktion der elektronischen Steue­ rung durch eine Zeitablaufsteuerung geschaltet werden.

5. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Zeitablaufsteuerung eine Vorrichtung zur Bewegungsdetektion in einem Videobild ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß Videokamera oder Videorecorder wahlweise mit einer Wiedergabeeinheit gekoppelt sind, welche die Bildauslesefrequenz des Videosignals bis zur flimmerfreien Bildwiedergabe erhöht.

7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Wiedergabeeinheit gleichzeitig die synchrone, alternierende Steuerung einer elektrooptischen Umschalteinheit umfaßt.