DE4340461A1 - Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung - Google Patents
Stereoskopische BildaufnahmevorrichtungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine stereoskopische
Bildaufnahmevorrichtung.
In der Mikrochirurgie wird das vom Chirurgen eingesehene
Sehfeld üblicherweise über ein Operationsmikroskop betrach
tet. Neben dieser unmittelbaren Betrachtung des interes
sierenden Sehfeldes über einen am Operationsmikroskop
angeordneten binokularen Beobachtungstubus besteht ferner
die Möglichkeit, aus den stereoskopischen Beobachtungs
strahlengängen mittels geeigneter Strahlteiler-Elemente
Teile der Beobachtungsstrahlengänge auf Video-Kameras aus
zukoppeln und auf einem Monitor darzustellen.
Als problematisch erweist sich hierbei jedoch immer, die
Intensitätsverhältnisse in den Beobachtungsstrahlengängen
geeignet aufzuteilen, um eine hinreichende Intensität für
die verwendeten CCD-Arrays der Video-Kameras zu erhalten.
Andererseits darf auch nicht die Intensität im unmittel
baren Beobachtungsstrahlengang derart reduziert werden, daß
kein vernünftiger Seheindruck für den operierenden Chirur
gen mehr resultiert.
In der US 4 987 488 ist zur Lösung dieser Problematik
bereits vorgeschlagen worden, das Operationsmikroskop durch
eine Video-Kamera-Anordnung zu ersetzen. Die in dieser
Patentschrift vorgeschlagene Anordnung weist jedoch den
entscheidenden Nachteil auf, daß hiermit kein stereo
skopischer, d. h. räumlicher Eindruck des betrachteten
Sehfeldes für den operierenden Chirurgen gewährleistet ist.
Dies ist jedoch zwingend erforderlich, um die mikrochirur
gischen Arbeiten mit der erforderlichen Genauigkeit durch
zuführen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine
stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung zu schaffen, die
eine möglichst flexiblen Einsatz gewährleistet und ferner
sicherstellt, daß der Beobachter einen dreidimensionalen
Gesamteindruck des betrachteten Sehfeldes dargeboten
bekommt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine stereoskopische Bild
aufnahmevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteran
sprüchen.
Die erfindungsgemäße stereoskopische Bildaufnahme
vorrichtung besteht aus dem bekannten optischen System
eines Stereomikroskopes inclusive einer Objektiv-Baugruppe
mit objektseitig fester Schnitt- oder Brennweite und dieser
Objektiv-Baugruppe nachgeordneten optischen Elementen in
zwei separaten Teil-Strahlengängen. Diese optischen
Elemente dienen z. B. als Vergrößerungswechsel-Einrichtung
und können als bekannter Galilei-Wechsler oder als Zoom-
Vergrößerungswechsler ausgeführt werden. Bildseitig ist den
optischen Elementen jeweils mindestens ein elektrooptischer
Bildaufnehmer in den Teil-Strahlengängen nachgeordnet.
Erfindungsgemäß wird nunmehr vor der Objektiv-Baugruppe mit
objektseitig fester Schnitt- oder Brennweite ein weiteres
Objektiv angeordnet, das die Möglichkeit der variablen
objektseitigen Entfernungseinstellung bietet. Zudem kann
dieses Objektiv auch für eine variable Vergrößerung des
betrachteten Objektes ausgelegt sein. Bildseitig ist eine
definierte, feste Lage des durch dieses Objektiv erzeugten
Zwischenbildes in einer entsprechenden Zwischenbildebene
erforderlich.
Das Bild in dieser Zwischenbildebene wird über die nach
folgend angeordnete Objektiv-Baugruppe betrachtet bzw.
weiter auf die elektrooptischen Bildaufnehmer abgebildet.
Die Objektiv-Baugruppe und das Objektiv zur variablen Ent
fernungseinstellung bilden demnach ein gemeinsames Objek
tiv-System mit einer internen Zwischenabbildung in eine
Zwischenbildebene mit definierter, fester Lage.
Die erfindungsgemäße stereoskopische Bildaufnahme
vorrichtung gewährleistet nunmehr, daß über ein einziges,
für beiden Teilstrahlengänge gemeinsames optisches
Objektiv-System die Fokussierung auf die gewünschte
Sehfeldebene erfolgen kann. Desweiteren kann auch die
Einstellung einer gewünschten Vergrößerung damit realisiert
werden. Dies ist beispielsweise gegenüber Stereo-
Kameraanordnungen ein immenser Vorteil, bei denen die
Fokussierung der beiden konvergent-angeordneten Stereo-
Kameras aufwendig synchronisiert werden muß. Hierzu sei
etwa die US 4,999,713 beispielhaft erwähnt, in der die
komplexe Synchronisation zweier Stereokamera-Zooms
beschrieben wird und die beiden Kamera-Einheiten zudem in
einem einzigen definierten Konvergenzwinkel zueinander
angeordnet sind.
Dem Objektiv zur variablen Entfernungseinstellung können
dabei optische Systeme nachgeordnet werden, die sowohl dem
Grenough-Typ oder aber dem Teleskop-Typ aus Stereo
mikroskopen entsprechen. Ferner können hierbei jederzeit
noch weitere Vergrößerungsstufen wahlweise zwischen
geschaltet werden. Insgesamt resultiert eine flexible
Verwendung der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bild
aufnahmevorrichtung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der
erfindungsgemäßen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung
eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Wiedergabe der auf
genommenen Bilder nachgeordnet, die für eine Vielzahl von
Beobachtern einen räumlichen Gesamteindruck des interes
sierenden Sehfeldes anbietet.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, das Objektiv zur
variablen Entfernungseinstellung mit einem Autofokussier
system auszustatten. Hiermit wird gewährleistet, daß die
interessierende Sehfeldebene jeweils scharf fokussiert auf
einem geeigneten Display dargestellt wird. Hierfür kommen
verschiedenste Autofokussiersysteme mit passiver oder
aktiver Arbeitsweise in Betracht.
Im Gegensatz zu Stereokamera-Anordnungen, bei dem die
beiden Kamera-Einheiten in einem definierten, festen
Konvergenzwinkel zueinander angeordnet sind, ermöglicht die
erfindungsgemäße Vorrichtung des weiteren eine Variation der
Stereobasis mit Hilfe einer Zwischenbaugruppe, wie sie etwa
im Gebrauchsmuster G 93 05 447.5 der Anmelderin beschrieben
ist und auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Insgesamt ist somit eine variable Einsatzmöglichkeit für
die erfindungsgemäße Vorrichtung gewährleistet.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der erfindungsgemäßen
stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der beigefügten Zeichnungen.
Dabei zeigt
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des optischen
Systems der erfindungsgemäßen stereoskopischen
Bildaufnahmevorrichtung mit einem gemeinsamen,
festbrennweitigen Objektiv für zwei Teil-
Strahlengänge;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des optischen
Systems der erfindungsgemäßen stereoskopischen
Bildaufnahmevorrichtung mit zwei separaten Teil
objektiven für zwei Teil-Strahlengänge;
Fig. 3 ein schematisiertes Blockschaltbild einer Gesamt-
Anordnung, bestehend aus der erfindungsgemäßen
stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung und
einer nachgeordneten Vorrichtung zur Darstellung
dreidimensionaler Bilder.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des optischen
Systems der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bildauf
nahmevorrichtung schematisiert dargestellt.
Mit dem Bezugszeichen (1) sei hierbei ein erstes Objektiv
bezeichnet, das eine objektseitig variable Entfernungs
einstellung durch den Benutzer ermöglicht und zudem
gestattet, die Vergrößerung zu variieren.
Unterschiedliche objektseitige Entfernungseinstellungen
dieses Objektives (1) sind in Fig. 1 durch die beiden
objektseitigen Strahlengänge (A) und (B) dargestellt.
Zur variablen Entfernungseinstellung können dabei
verschiedene bekannte Alternativen eingesetzt werden. So
ist es z. B. möglich, das komplette Objektiv (1) relativ zur
Bildebene entsprechend der bekannten Abbildungsgleichung zu
verschieben. Des weiteren kann jedoch auch nur eine oder
mehrere der einzelnen Objektiv-Linsen verschoben werden,
d. h. es ist auch eine Frontlinseneinstellung oder aber eine
Innenfokussierung in bekannter Art und Weise realisierbar,
um dergestalt die erforderliche variable Entfernungs
einstellung zu gewährleisten.
Wesentlich ist bei den erwähnten Alternativen jeweils
lediglich eine definierte, feste Bildlage des erzeugten
Zwischenbildes, das vom nachgeordneten optischen System
abgebildet bzw. über dieses optische System betrachtet
wird, d. h. eine konstante bildseitige Schnittweite.
Variabel ist bei den verschiedenen Varianten jeweils die
objektseitige Schnitt- und/oder die objektseitige Brenn
weite.
Das Objektiv (1) im dargestellten Ausführungsbeispiel ist
dabei als Objektiv mit fester Brennweite ausgeführt und
ermöglicht eine Variation der objektseitigen Schnittweite
im Intervall [∞; 0,8m]. Dieses - schematisiert dargestellte
- Objektiv (1) weist einen bekannten Aufbau auf, wie etwa
ein herkömmliches Photoobjektiv, z. B. das Zeiss Planar T*,
1 : 2, f=110mm. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind
beispielhaft drei separate Linsen innerhalb des ersten
Objektives (1) dargestellt, von denen eines oder mehrere
entlang definierter Steuerkurven verschiebbar angeordnet
sind, um dergestalt eine Variation der objektseitigen
Schnitt- oder Brennweite zu ermöglichen. Das Verschieben
einer einzelnen oder mehrerer Linsen kann in bekannter Art
und Weise manuell oder aber motorisch erfolgen, wie es auch
aus Photo-Objektiven bekannt ist.
Wie bereits erwähnt kann dieses Objektiv (1) auch komplett
verschiebbar ausgelegt werden, um dergestalt die variable
Entfernungseinstellung zu gewährleisten.
Das Objektiv (1) liefert nunmehr eine Abbildung des
gewünschten Sehfeldes in eine definierte Zwischenbildebene
(3). Die Lage der bildseitigen Zwischenbildebene (3) ist
dabei fest, d. h. es liegt eine konstante bildseitige
Schnittweite des Objektives (1) vor.
Das in der Zwischenbildebene (3) erzeugte Zwischenbild wird
von der nachfolgend angeordneten Objektivbaugruppe (2) über
optische Elemente (4a, 4b) in zwei separaten Teilstrahlen
gängen auf zwei in diesen Teilstrahlengängen angeordnete
elektrooptische Bildaufnehmer (5a, 5b) abgebildet. Die
mittels der elektrooptischen Bildaufnehmer (5a, 5b)
registrierten Signale können anschließend in bekannter Art
und Weise weiter verarbeitet werden. Als geeignete elektro
optische Bildaufnehmer (5a, 5b) dienen z. B. bekannte CCD-
Arrays, wie sie etwa aus Video-Kameras bekannt sind.
Neben der Möglichkeit, zwei separate elektrooptische Bild
aufnehmer in den Teilstrahlengängen vorzusehen, ist es aber
auch möglich, lediglich einen einzigen elektrooptischen
Bildaufnehmer für beide stereoskopischen Teilstrahlengänge
zu verwenden, der sequentiell von den beiden Teilstrahlen
gängen beaufschlagt wird. Hierzu ist vor dem jeweiligen
elektrooptischen Bildaufnehmer ein geeignetes Shutter
element angeordnet, welches mit dem Signal-Ausgang des
elektrooptischen Bildaufnehmers synchronisiert wird.
Geeignete Vorrichtungen mit einem entsprechenden Shutter-
Element sind etwa detailliert in den Patentanmeldungen
P 42 43 452.1 und P 42 43 556.0 der Anmelderin beschrieben,
auf die hier ebenfalls ausdrücklich Bezug genommen sei.
In Fig. 1 ist desweiteren in schematisierter Form der
Sende-Strahlengang eines aktiven Autofokussiersystemes (17)
dargestellt, der eine Marke auf das Sehfeld projiziert, die
wiederum über das Objektiv (1) auf einen - nicht
dargestellten - Photodetektor abgebildet wird. Die In-
Fokus-Position der Marke auf dem Photodetektor ist ein
deutig definiert, so daß bei einem resultierenden
Auswandern dieser Markierung ein Regelkreis das Objektiv
(1) entsprechend nachfokussiert. Eine Beschreibung eines
geeigneten Autofokussier-Systemes inclusive eines möglichen
Signalverarbeitungsverfahrens ist z. B. in der Patentanmel
dung P 41 31 737.8 der Anmelderin enthalten.
Alternativ zum skizzierten, aktiven Autofokussiersystem ist
jedoch auch jedes bekannte andere Autofokussiersystem in
Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein
setzbar.
Wie bereits erwähnt, bietet die erfindungsgemäße Vorrich
tung verschiedene Möglichkeiten, auch die Vergrößerung des
betrachteten Objektdetails wunschweise einzustellen. So ist
es möglich, das Objektiv (1) in Art und Weise eines bekann
ten Zoom-Objektives auszulegen, das neben der variablen
Entfernungseinstellung auch eine Möglichkeit zur Variation
des Abbildungsmaßstabes anbietet. Konstant ist erneut die
bildseitige Schnittweite, d. h. die definierte Lage der
Zwischenbildebene.
Alternativ kann das Objektiv (1) wie oben erwähnt jedoch
auch nur zur Entfernungseinstellung bei fester bildseitiger
Schnittweite ausgelegt werden und die variable Vergrößerung
über bekannte Vergrößerungswechsler, z. B. Galilei-Wechsler
oder Zoom-Vergrößerungswechsler, in den stereoskopischen
Teilstrahlengängen realisiert werden. Die gewünschte
(Ausschnitts-) Vergrößerung wird dann in der gleichen Art
und Weise eingestellt, wie es etwa auch aus herkömmlichen
Stereo-Mikroskopen bekannt ist.
Desweiteren ist es zur Variation der Vergrößerung auch
möglich, eine oder mehrere komplett separate Vergrößerungs-
Stufen zwischen der Zwischenbildebene und der nachfolgenden
Objektiv-Baugruppe anzuordnen.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wurde die zweite
Objektivbaugruppe (2) als gemeinsames optisches Element für
die beiden Teilstrahlengänge ausgelegt.
Eine hierzu alternative Variante der erfindungsgemäßen
stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung ist in Fig. 2
dargestellt. Das erste Objektiv (10) dieses Ausführungs
beispieles sowie die entsprechenden Strahlengänge (A′, B′)
entsprechen dabei dem des ersten Ausführungsbeispieles in
Fig. 1. Dies bedeutet, daß eine objektseitig variable
Entfernungseinstellung des Objektives (10) vorliegt und
gleichzeitig eine Abbildung des betrachteten Sehfeldes in
eine definierte erste Zwischenbildebene (30) gewährleistet
ist. Das gelieferte Zwischenbild wird nunmehr jedoch über
zwei separate optische Elemente (40a, 40b) auf die beiden
elektrooptischen Bildaufnehmer (50a, 50b) in den beiden
Teil-Strahlengängen abgebildet. Die beiden optischen
Elemente (40a, 40b) bzw. die hierdurch definierten Teil-
Strahlengänge sind dabei bereits in einem definierten
Stereowinkel zueinander angeordnet, der über eine geeignete
Mechanik auch variabel ausgelegt sein kann.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die oben erwähnten
Möglichkeiten zur Variation bzw. definierten Einstellung
einer gewünschten Vergrößerung realisierbar.
Während demnach im ersten Ausführungsbeispiel der stereo
skopischen Bildaufnahmevorrichtung in Fig. 1 das dem
Objektiv (1) nachgeordnete optische System dem Teleskop
system aus Stereomikroskopen ähnelt, ist im zweiten
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Bildaufnahme
vorrichtung ein sogenanntes Greenough-System vorgesehen.
Ein schematisiertes Blockschaltbild einer Gesamtanordnung,
bestehend aus der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bild
aufnahmevorrichtung sowie einer nachgeordneten Vorrichtung
zur Darstellung dreidimensionaler Bilder ist in Fig. 3
skizziert.
Die Signale der elektrooptischen Bildaufnehmern (105a,
105b) werden dabei auf eine nachgeordnete Verarbeitungs
einheit (110) durchgeschaltet. Die Verarbeitungseinheit
(110) kann nunmehr ein sequentielles Stereobild auf einem
geeigneten Display (120) liefern, bei dem die beiden
stereoskopischen Teilbilder, aufgenommen durch die beiden
elektrooptischen Bildaufnehmer (105a, 105b), als alternie
rende Halbbilder auf dem Display (120) präsentiert werden.
Über eine geeignet synchronisierte Shutterbrille (130) ist
für den Beobachter die dreidimensionale Wahrnehmung dieser
Bilder möglich.
Eine geeignete Vorrichtung zur Darstellung dreidimensio
naler Bilder, d. h. der Verarbeitung der von den elektro
optischen Bildaufnehmern gelieferten Signale, ist etwa in
der internationalen Patentanmeldung WO 93/08665 der
Anmelderin explizit dargestellt.
Die erfindungsgemäße stereoskopische Bildaufnahme
vorrichtung eignet sich vorteilhafterweise zum Einsatz im
Operationssaal, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung
beispielsweise an der Decke des OPs angeordnet ist und
derart Bilder vom Operationsgeschehen liefert, die etwa von
Assistenzpersonal etc. auf einem geeigneten Display
verfolgt werden können. Bei einer derartigen Anordnung ist
ferner eine Beleuchtungseinrichtung vorgesehen, die das
interessierende Sehfeld mit der erforderlichen Intensität
aus leuchtet.
Besonders vorteilhaft erweist sich dabei die integrierte
Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer
Operationsleuchte an der Decke des Operationssaales, um
dergestalt eine kompakte Vorrichtung zur Verfügung zu
haben. Justierprobleme für den Anwender wegen der erfor
derlichen Relativ-Justierung von Beleuchtung und
erfindungsgemäßer Bildaufnahme-Vorrichtung entfallen bei
einer derartigen Kombination in einem einzigen Gehäuse.
Neben der Verwendung im Operationssaal sind jedoch noch
vielfältige weitere Einsatzmöglichkeiten für die
erfindungsgemäße stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung
realisierbar.
Claims (12)
1. Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung, bestehend aus
- - einem ersten Objektiv (1, 10) mit objektseitig variabler Entfernungseinstellung, das eine Abbildung in eine definierte erste Zwischen bildebene (3, 30) bewirkt,
- - einer dem ersten Objektiv (1, 10) nachgeordneten zweiten Objektiv-Baugruppe (2, 40a, 40b) mit objektseitig fester Schnittweite, das von einem Bild in der ersten Zwischenbildebene (3, 30) eine Unendlich-Abbildung bewirkt,
- - sowie der zweiten Objektiv-Baugruppe (2, 40a, 40b) nachgeordneten optischen Elementen (4a, 4b) in zwei separaten Teil-Strahlengängen, die stereoskopische Teilbilder in definierten Bild- Ebenen liefern, und
- - in den Bild-Ebenen der beiden Teil-Strahlengänge angeordneten elektrooptischen Bildaufnehmern (5a, 5b, 50a, 50b).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Objektiv
(1, 10) eine variable Vergrößerungseinstellung
ermöglicht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur
Entfernungseinstellung das komplette erste Objektiv
(1, 10) entlang der optischen Achse verschiebbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein oder
mehrere einzelne Elemente des ersten Objektives (1,
10) zur Entfernungseinstellung entlang der optischen
Achse verschiebbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei in den Teil-
Strahlengängen eine Vergrößerungswechsel-Einrichtung
angeordnet ist.
6. Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch
1, wobei den elektrooptischen Bildaufnehmern (5a, 5b,
50a, 50b) eine Vorrichtung zur dreidimensionalen
Darstellung der aufgenommenen Bilder nachgeordnet ist,
die mindestens ein Display (120) umfaßt.
7. Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch
6, wobei die Vorrichtung zur dreidimensionalen
Darstellung der aufgenommenen Bilder die stereo
skopischen Teilbilder in sequentieller Folge auf dem
Display (120) darstellt und ferner mindestens eine
schaltbare Blende umfaßt, die derart geschaltet ist,
daß die stereoskopischen Teilbilder jeweils einem
Betrachter-Auge zugeordnet sind.
8. Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch
1, wobei die zweite Objektiv-Baugruppe (2) aus einem
einzigen ein- oder mehrteiligen, festbrennweitigen
Objektiv für beide Teil-Strahlengänge besteht und die
Schnittweite auf die Lage der ersten Zwischenbildebene
(3) abgestimmt ist.
9. Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch
1, wobei die zweite Objektiv-Baugruppe aus zwei
separaten, den beiden Teil-Strahlengängen zugeordneten
ein- oder mehrteiligen, jeweils festbrennweitigen
Teil-Objektiven (40a, 40b) besteht.
10. Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch
1, wobei die Entfernungseinstellung des ersten
Objektives (1, 10) motorisch erfolgt und diesem ersten
Objektiv eine Autofokussier-Einrichtung (10)
zugeordnet ist.
11. Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung nach
mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
ferner eine Beleuchtungseinrichtung vorgesehen ist,
die das zu beobachtende Sehfeld hinreichend erhellt
und zusammen mit der stereoskopischen Bildaufnahme
vorrichtung in einem einzigen Gehäuse angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Gehäuse an der
Decke eines Operationssaales angeordnet ist.
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