DE4436528A1 - Optische Vergrößerungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vergrößerungsvorrichtung für feinmechanische und medizinische, insbesondere dentale und chirurgi­ sche, Anwendungen.

Solche Vorrichtungen sind aus manuell schwierigen Anwendungen an kleinen Objekten bekannt. So wird beispielsweise bei Lötarbeiten an elektronischen Schaltungen eine Lampe mit einer integrierten Lupe verwendet.

Ebenfalls bekannt ist die Uhrmacherlupe, die direkt in das Auge ge­ klemmt wird und eine vergrößerte Sicht auf das zu bearbeitende Ob­ jekt ermöglicht.

Zahnärzte verwenden eine Art Fernrohr, das bei Bedarf aufgesetzt wird und dem Arzt ein vergrößertes Bild des anvisierten Zahns liefert.

Ein diesen Vorrichtungen gemeinsamer Nachteil ist, daß die direkte Sicht auf das Objekt verlorengeht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine optische Vergröße­ rungsvorrichtung der im Oberbegriff genannten Art zu schaffen, die bei besonders guten Vergrößerungseigenschaften gleichzeitig eine di­ rekte und eine vergrößerte Sicht auf das zu bearbeitende Objekt lie­ fert.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der An­ sprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den ab­ hängigen Ansprüchen angegeben.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung wird eine Videokamera auf das zu untersuchende oder zu bearbeitende Objekt gerichtet, wobei das von der Videokamera aufgenommene Bild von einem Display oder Bildschirm wiedergegeben wird. Dieses Display wird mittels einem Ge­ stell oder einer Halterung so im Bereich des Kopfes, genauer im un­ teren Bereich des Gesichtsfeldes angeordnet, daß eine direkte Sicht auf das Display möglich ist. Im oberen Bereich des Gesichtsfelds ist ein direkter Blick auf das Objekt möglich. So kann durch Heben oder Senken des Blicks der Benutzer dieser Vorrichtung sich entweder auf das vergrößerte Displaybild oder auf die direkte Sicht konzentrieren oder beide Ansichten gleichzeitig wahrnehmen.

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, das von dem Display wiederge­ gebene Bild über eine reflektierende Fläche in das Auge zu spiegeln. Dabei werden Display und reflektierende Fläche gemäß den Reflexions­ gesetzen so angeordnet, daß der Winkel zwischen der gedachten Linie vom Auge zur reflektierenden Fläche und der Flächensenkrechten der reflektierenden Fläche dem Winkel zwischen der gedachten Linie vom Display zur reflektierenden Fläche und der Flächensenkrechten der reflektierenden Fläche entspricht. Die hier als Flächensenkrechte be­ zeichnete Linie ist im allgemeineren Fall eines beliebig geformten Spiegels als optische Achse zu verstehen.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Videokamera fest mit der Halterung verbunden und folgt in ihrer Blickrichtung dadurch den Kopfbewegungen des Benutzers. Der Benutzer erhält dadurch immer eine normale Ansicht und eine vergrößerte Ansicht des anvisierten Objekts. Besonders günstig ist hierbei die Anordnung der Kamera pa­ rallel und möglichst nah zu der normalen Sichtlinie, da dann die Übereinstimmung von angeblicktem und vergrößertem Objekt maximal ist. Durch Neigen und Bewegen des Kopfes verändert sich die Ansicht im Display und der Benutzer kann direkt durch die visuelle Kontrolle im Display seine Kopfhaltung so optimieren, daß die Videokamera direkt auf das gewünschte Ziel gerichtet ist.

In einer anderen Ausführungsform ist die Videokamera zwar ortsfest mit der Halterung am Kopf verbunden, ist jedoch drehbar dort gela­ gert. Dadurch ist eine Nacheinstellung möglich, falls durch die Art der Arbeit die Kopfhaltung vorgegeben ist und deshalb die Ausrich­ tung der Videokamera durch eine Kopfdrehung nicht möglich ist. Zusätzlich kann die drehbare Lagerung mit einem Motor verbunden sein, der durch eine Art Joystick gesteuert wird.

Die verwendete Videokamera ist günstigerweise eine Miniaturkamera mit Abmessungen von wenigen Zentimetern. Die Kamera kann mit ei­ nem vergrößernden Objektiv ausgestattet sein, das abhängig vom gewünschten Vergrößerungsgrad auch ausgewechselt werden kann. Des weiteren ist auch eine elektronische, insbesondere digitale, Vergröße­ rung des Bildes durch die Elektronik der Kamera, des Displays oder einer Zusatzschaltung vorgesehen.

Günstigerweise ist die vom Auge wahrgenommene Fläche, also das Display oder die reflektierende Fläche hohlspiegelartig gewölbt. Diese Wölbung kann eindimensional sein, ist aber bevorzugterweise zweidi­ mensional. Dadurch entsteht beim Benutzer der Eindruck eines Bildes, das eine gewisse Distanz vom Auge entfernt ist. Je nach Wölbung der Fläche kann dieser Abstand zwischen 20 cm und 5 m betragen. In der Regel wird die Wölbung so gestaltet sein, daß das Objekt in einer Entfernung von 1 bis 2 m erscheint. In einer bevorzugten Ausführungs­ form ist die vom Benutzer wahrgenommene Fläche ein sphärischer Hohlspiegel.

Die Halterung oder das Gestell, das die einzelnen Elemente aufnimmt ist bevorzugt brillenartig gestaltet. Die Halterung kann dabei sowohl über Ohrbügel als auch über ein elastisches, den Kopf umspannendes Band erfolgen. Zur Korrektur von Sehfehlern des Benutzers gibt es die Möglichkeit, die Halterung mit einem Abstandshalter zu versehen, der das Tragen einer üblichen Brille unterhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt. Andererseits ist natürlich auch die Integration von geschliffenen Gläsern zur Korrektur von Sehfehlern in die Halte­ rung möglich.

In einer anderen Ausführungsform kann die Kamera auch extern be­ trieben werden. Dies ist besonders bei medizinischen Anwendungen von großem Vorteil. Der behandelnde Arzt erhält so neben der direk­ ten Sicht gleichzeitig eine zweite Perspektive des zu behandelnden Kör­ perteils. Die Kamera kann beispielsweise in einem Endoskop angeord­ net sein, wodurch die erfindungsgemäße Vorrichtung dem Arzt gleich­ zeitig einen Blick auf die Bauchdecke und das in die Vorrichtung eingespielte Bild der Endoskopkamera vermittelt. In einer anderen An­ wendung kann die Videokamera an einem in den Mundraum eingeführ­ ten stabförmigen Gerät montiert sein, um dem Zahnarzt eine vergrö­ ßerte Darstellung des Zahns oder des Zahnnervs aus einer anderen Perspektive zu liefern. Dadurch erhöhen sich die Möglichkeiten des Benutzers wesentlich. Gerade im medizinischen Bereich wird so eine erhöhte Sicherheit der Behandlung ereicht.

Die Kombination der auf der Halterung montierten Brille mit einer externen Brille bringt weitere Vorteile. So kann der Benutzer mittels eines Schalters eine Umschaltung von der Kopfkamera auf die externe Kamera vornehmen und dadurch sofort ohne Verlust der direkten Sicht eine andere Ansicht des Objekts erhalten. Hierbei ist die Ver­ wendung eines Fußschalters besonders günstig, da dadurch die Hände zur weiteren Bearbeitung oder Behandlung freibleiben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung weiter erläu­ tert. Im einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:

Fig. 1 eine Frontansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Frontansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer anderen Ausfüh­ rungsform der Halterung einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung; und

Fig. 4 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist eine Halterung 1 dargestellt, die ein Display 2 aufnimmt, das direkt von dem Auge gesehen wird. Die Halterung 1 ist mit Bü­ geln 11 verbunden, deren Enden gebogen sind, um mit den Ohren in Eingriff gebracht zu werden. Das Display 2 wird vor dem sogenannten Führungsauge positioniert. Jeder Mensch visiert in der Regel Gegen­ stände immer mit demselben Auge an. Die Bildinformation des ande­ ren Auges wird vom Gehirn zu einem räumlichen Gesamteindruck verarbeitet. Abhängig davon, ob der Benutzer rechts- oder linksvisie­ rend ist, muß das Display 2 also vor dem rechten oder dem linken Auge angeordnet sein. Die Kamera 3 wird parallel zur Blickrichtung möglichst nahe dem visierenden Auge angebracht, um eine Darstellung zu erreichen, die der des führenden Auges entspricht. Durch Drehen und Neigen des Kopfes verändert sich also das aufgenommene Bild. Durch die gleichzeitige direkte Sicht und die Sicht auf das Display 2, das auch als Monitor bezeichnet wird, wird das zu behandelnde Ob­ jekt sicher fixiert. In die brillenartige Halterung 1 sind erforderli­ chenfalls geschliffene Gläser 5 integriert, so daß eventuell vorhande­ ne Sehfehler ausgeglichen werden und auch die direkte Sicht mit op­ timaler Sehschärfe erfolgen kann. Die Gläser 5, auch Dioptriegläser genannt, müssen an den jeweiligen Benutzer angepaßt sein. Die Video­ kamera 3 ist mit einer vergrößernden Optik 10 ausgestattet. Ein sol­ ches Objektiv ist austauschbar und kann mit einem für die jeweilige Anwendung erforderlichem Vergrößerungsfaktor gewählt werden. Die Videokamera 3 steht mit dem Display 2 über eine elektrische Verbin­ dung in Datenverbindung.

Eine zweite Ausführungsform ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei wird das vom Display 2 abgegebene Bild über einen Hohlspiegel 4 auf das Auge projiziert. Durch die Verwendung des Hohlspiegels 4 wird eine erleichterte Anbringung geschaffen, da das schwere Display 2 nach oben auf die Halterung 1 verlegt werden kann. Zum anderen wird erreicht, daß der Benutzer ein etwas beabstandetes virtuelles Bild wahrnimmt, was einen größeren Sehkomfort bei vergrößerter Wahr­ nehmung erzeugt. Das Display 2 ist in die verstärkte Querstrebe 6 der Halterung 1 integriert und mit der Bildfläche im wesentlichen sen­ krecht nach unten ausgerichtet. Die Videokamera 3 ist mit einem in die Halterung 1 integrierten Kabel verbunden. Die vergrößernde Optik 10 kann ein handelsübliches Objektiv mit zylindrischem Äußeren sein. Die zweite Kamera 7, die in diesem Fall mit dem Display 2 über Funk- oder Fernsteuerung in Datenverbindung steht, kann z. B. in einem Endoskop für Bauchoperationen oder in einem Gerät zur intero­ ralen Untersuchung angeordnet sein. Bei manchen Anwendungen ist lediglich die Benutzung der externen Videokamera 7 nötig, wobei dann auf eine mit der Halterung 1 verbundene Videokamera 3 verzichtet werden kann.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausschnittsansicht zeigt die Halterung 1 mit einer drehbar gelagerten Videokamera 3. Die Videokamera 3 mit der vergrößernden Optik 10, dem Objektiv, ist beabstandet vom Bügel 11, der die um den Kopf greifende Fortsetzung der Halterung 1 darstellt, möglichst zentral über dem Auge angeordnet. Dabei ist die Videoka­ mera 3 in dem Drehlager 15 gelagert und ist durch einen Hebel 16 feststellbar. Bei Verwendung eines Kugeldrehlagers kann eine Verstel­ lung der Videokamera 3 in alle Richtungen erfolgen. Alternativ zur Handverstellung kann die Videokamera 3 ebenfalls durch einen am Drehlager 15 angeordneten Motor 17 verstellt werden. Der Motor 17 kann durch ein Steuergerät 18, das ähnlich einem Joystick aufgebaut ist und mit dem Motor 17 in Datenverbindung 19 steht, in eine neue Position gebracht werden. Die Datenverbindung ist als gestrichelte Linie dargestellt und kann aus einer elektrischen Verbindung oder einer Funkverbindung bestehen.

Das Blockdiagramm in Fig. 4 zeigt die Verschaltung der Ausfüh­ rungsform der Fig. 2. Eine Steuerung 8, in dem ebenfalls eine digi­ tale Nachbearbeitung zur Vergrößerung, Helligkeits-, und Kontrastre­ gelung durchgeführt wird, empfängt die Daten der Videokamera 3. Die Steuerung 8 kann baulich auch in die Videokamera 3, die verstärkte Querstrebe 6 oder das Display 2 integriert sein. Die so aufbereiteten Daten werden an das Display 2 weitergegeben. Die Steuerung 8 em­ pfängt ebenfalls die Daten der zweiten Videokamera 7 und kann auch diese auf das Display 2 geben. Ein Schalter 9, der bevorzugt als Fuß­ schalter ausgebildet ist, sorgt für eine Umschaltung der Videokameras mit den verschiedenen Einstellungen auf das Display 2. Die einzelnen Elemente der Vorrichtung stehen in Datenverbindung 19.

Claims (15)

1. Optische Vergrößerungsvorrichtung für feinmechanische und medi­ zinische, insbesondere dentale und chirurgische, Anwendungen zur vergrößernden Darstellung eines in Eingriff zu nehmenden Objekts, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Videokamera (3) auf das in Eingriff zu nehmende Objekt gerichtet ist,
daß ein Display (2) zur Wiedergabe des von der Videokamera (3) aufgezeichneten Objekts vorgesehen ist,
daß eine Halterung (1) zur Aufnahme des Displays (2) vorgesehen ist, und
daß die Halterung (1) mit dem Kopf des Benutzers in Halteeingriff steht und das Display (2) Im Bereich des Sichtfelds eines Auges hält.

2. Optische Vergrößerungsvorrichtung für feinmechanische und medi­ zinische, insbesondere dentale und chirurgische, Anwendungen zur vergrößernden Darstellung eines in Eingriff zu nehmenden Objekts, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Videokamera (3) auf das in Eingriff zu nehmende Objekt gerichtet ist,
daß ein Display (2) zur Wiedergabe des von der Videokamera (3) aufgezeichneten Objekts vorgesehen ist,
daß eine reflektierende Fläche (4) vorgesehen ist, die das von dem Display (2) wiedergegebene Bild in ein Auge reflektiert,
daß eine Halterung (1) zur Aufnahme des Displays (2) und der re­ flektierenden Fläche (4) vorgesehen ist,
daß die Halterung (1) mit dem Kopf des Benutzers in Halteeingriff steht, und
daß eine optische Achse der reflektierenden Fläche (4) gleiche Winkel mit den gedachten Verbindungslinien vom optischen Mit­ telpunkt der reflektierenden Fläche (4) zum Auge und zum Display (2) bildet.

3. Optische Vergrößerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Videokamera (3) mit der Halterung (1) fest verbunden ist.

4. Optische Vergrößerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Videokamera (3) parallel und benachbart zur Sichtlinie ei­ nes Auges an der Halterung (1) angeordnet ist.

5. Optische Vergrößerungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Videokamera (3) eine Miniaturkamera ist, deren Abmes­ sungen kleiner als 10 cm sind.

6. Optische Vergrößerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Videokamera (3) eine vergrößernde Optik (10) aufweist.

7. Optische Vergrößerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche (4) hohlspiegelartig geformt ist.

8. Optische Vergrößerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche (4) als sphärischer Hohlspiegel aus­ gebildet ist.

9. Optische Vergrößerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (1) brillenartig aufgebaut ist.

10. Optische Vergrößerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (1) geschliffene Gläser (5) zur Korrektur von Sehfehlern aufweist.

11. Optische Vergrößerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Videokameras (3, 7) mit dem Display (2) in Datenver­ bindung stehen und über einen Schalter (9) umschaltbar sind.

12. Optische Vergrößerungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (9) ein Fußschalter ist.

13. Optische Vergrößerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Videokamera (3) mit der Halterung (1) ortsfest und dreh­ bar gelagert verbunden ist.

14. Optische Vergrößerungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Videokamera (3) nach einer Drehung in der neuen Ausrich­ tungsrichtung festsetzbar ist.

15. Optische Vergrößerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Motor (17) zur Drehung der Videokamera (3) vorgesehen ist und
daß ein Steuergerät (18) für den Motor (17) mit diesem in Daten­ verbindung (19) steht.