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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Methode zur
Verfolgung der Blickrichtung eines Beobachters.
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Die
Erfindung hat besondere Bedeutung bei einer Vorrichtung zur Blickerfassung
für die
Anwendung bei optischen Geräten,
welche ein sichtbares Bild eines Objektes erzeugen, wie Mikroskope,
Kameras, Teleskope, etc.
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Leica
Microsystems AG hat schon in WO96/13743 ein Mikroskopsystem vorgeschlagen, welches
Blickerfassungstechniken anwendet, um die Blickposition eines Beobachters,
der ein Bild durch ein Mikroskopokular betrachtet, zu verfolgen.
Dessen Blickinformationen werden z.B. verwendet, um ein Autofokussystem
zu kontrollieren. Dies ist besonders nützlich bei hoher Vergrößerung,
wo die Tiefenschärfe
oft begrenzt und nur ein kleiner Teil des gesamten Blickfeldes zu
einer bestimmten Zeit schart eingestellt ist. Dieses frühere Patent
offenbart auch, dass die Blickinformation zur Steuerung von anderen Funktionen
des Mikroskops verwendet werden kann, einschließlich einer freihändigen Bewegung
des Mikroskops oder den Betrieb eines menügesteuerten Computersystems,
welches über
das normale Blickfeld des Beobachters überlagert wird.
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EP588290 offenbart eine Kamera
mit einem Blickrichtungsermittlungsgerät, das mit mehreren Lichtquellen
ausgerüstet
ist, um die Position der Pupillenmitte zu ermitteln.
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Es
gibt viele verschiedene Techniken, welche zur Blickerfassung verwendet
werden können. Die
zwei gebräuchlichsten
Methoden sind Limbus-Erfassungseinrichtungen und Video-Blickerfassungseinrichtungen.
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Limbus-Erfassungseinrichtungen
funktionieren normalerweise mittels Beleuchtung der Augen des Beobachters,
typischerweise mit einem oder mehreren Infrarot-LEDs und mit einem
oder mehreren Photodetektoren, um das Licht zu erfassen, welches
von dem Augenweiß (Sclera)
reflektiert wird.
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Da
die vom Augenweiß reflektierte
Lichtmenge abhängig
von der Position der dunklen Regionen (Pupille und Iris) variiert,
ist es möglich
festzustellen, wohin im angegebenen Blickfeld der Beobachter gerade
hinschaut. Jedoch kann diese Art der Vorrichtung zur Blickerfassung
den Blickwinkel nicht eindeutig feststellen, da nur Informationen
in Bezug auf die Position des Iris-Sclera-Umrisses erfasst werden. Während die
Limbus-Erfassungstechnik ziemlich gute Informationen über die
horizontale Position der Augenoberfläche vermittelt, kann sie außerdem wegen
der Behinderung durch Augenwimpern und -lider die vertikale Position
nicht exakt feststellen.
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Es
gibt viele verschiedene videogestützte Blickerfassungstechniken.
Einige von ihnen beleuchten einfach das Auge und beobachten die
Pupille mit einem Bildverarbeitungssystem. Durch die Bestimmung
der Mitte der Pupille anhand des Bildes kann die Information bezüglich der
Blickrichtung des Auges ermittelt werden. Diese Technik leidet jedoch
unter dem Problem, dass die Kopfbewegungen des Beobachters nicht
von den Augenbewegungen unterschieden werden können.
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Andere,
höher entwickelte,
videogestützte Vorrichtungen
zur Blickerfassung sind vorgeschlagen worden, welche die Position
der Purkinjeschen Bilder erfassen. Die Purkinjeschen Bilder sind
Reflexionen der Beleuchtungsquelle über die Oberflächen der Hornhaut
sowie der Augenlinse (oft bezeichnet als Glanz oder Schimmer). Während diese
Technik relativ exakt ist, weil sie von Kopfbewegungen unabhängig ist,
leidet sie unter dem Problem, dass einige der Purkinjeschen Bilder
(welche von der Augenlinse reflektiert werden) extrem schwach und
somit schwierig klar darstellbar sind.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine andere Blickerfassungstechnik
für die
Anwendung bei optischen Geräten
zur Verfügung
zu stellen, welche ein sichtbares Bild eines Objekts erzeugen, wie
Mikroskope, Kameras und dergleichen.
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Gemäß einer
Ausgestaltungsvariante stellt die vorliegende Erfindung ein optisches
Gerät zur
Erzeugung eines sichtbaren Bildes eines Objektes zur Verfügung, welches
all die Eigenschaften enthält, welche
in Anspruch 1 enthalten sind. Zusätzliche Ausgestaltungsformen
sind in abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Beispielhafte
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezug
zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen
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1 – ein schematisches
Diagramm, das die Hauptbestandteile eines Operationsmikroskops gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt,
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2 – ein Blockdiagramm
der elektronischen Bauelemente des Mikroskops nach 1 zeigt,
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3 – ein schematischer
Querschnitt eines Auges eines Beobachters und des Okulars, welcher die
Beziehung zwischen der Blickrichtung und der optischen Achse des
Mikroskops zeigt,
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4 – eine schematische
Illustration eines Bildes, welches durch einen CCD-Sensor erzeugt wurde,
der einen Teil der elektronischen Bestandteile bildet, die in 2 gezeigt
wurden,
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5a – ein Flussdiagramm,
das die Ablaufsteuerung veranschaulicht, welche durch ein Steuergerät ausgeführt wird,
das einen Teil der elektronischen Bestandteile bildet, die in 2 gezeigt
wurden,
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5b – ein Flussdiagramm,
das die Verarbeitungsschritte veranschaulicht, welche von einer Bildverarbeitungseinheit
ausgeführt
werden, die einen Teil der elektronischen Bestandteile bildet, die
in 2 gezeigt wurden,
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6a – die Form
einer Bildausgabe durch den CCD-Sensor schematisch veranschaulicht, nachdem
ein erstes Set von Beleuchtungsquellen eingeschaltet wurde,
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6b – ein durch
den CCD-Sensor erzeugtes Bild schematisch veranschaulicht, nachdem
ein zweites Set von Beleuchtungsquellen eingeschaltet wurde,
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6c – ein Bild
schematisch veranschaulicht, welches durch Kombination und durch
Verarbeitung der Bilder aus den 6a und 6b erzeugt wurde,
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7 – ein Blockdiagramm
zeigt, welches die elektronischen Bauelemente eines optischen Geräts gemäß vorliegender
Erfindung veranschaulicht.
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8 – ein Blockdiagramm
zeigt, welches die elektronischen Bauelemente eines optischen Geräts gemäß vorliegender
Erfindung veranschaulicht.
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9 – ein Blockdiagramm
zeigt, welches die elektronischen Bauelemente eines optischen Geräts gemäß vorliegender
Erfindung veranschaulicht und
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10 – ein schematisches
Diagramm einer Kamera gemäß vorliegender
Erfindung.
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines Operationsmikroskops 1.
Das Mikroskop 1 umfasst eine Objektivlinse 3 und
ein Okular 5, beide schematisch durch eine einzelne Linse
dargestellt, die aber in der Praxis aus einer Anzahl von Linsen
bestehen. Die Objektivlinse 3 dient dazu, ein Bild eines
Objekts 7 zu erzeugen, das an einer Zwischenbildebene (dargestellt
durch die gestrichelte Linie 9) überprüft wird, welche sich in dieser
Ausgestaltungsvariante in der Brennebene des Okulars 5 befindet.
Als Ergebnis scheint das durch den Betrachter betrachtete Objekt im „Unendlichen" zu sein, z. B. tritt
das Licht vom Objekt 7 aus dem Okular 5 parallel
zu der optischen Achse 10 des Mikroskops aus. Dieses Bild
wird dann durch die Hornhaut 15 und die Augenlinse 17 auf
die Netzhaut 11 des Betrachterauges 13 fokussiert.
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Wie
in 1 gezeigt, enthält das Mikroskop 1 in
dieser Ausgestaltungsvariante auch zwei Strahlenteiler 21 und 23,
von denen beide optisch entlang der optischen Achse 10 des
Mikroskops 1 angeordnet sind. Der Strahlenteiler 21 funktioniert
in der Weise, dass er das Licht einer Beleuchtungsquelle 25 auf die
Hornhaut 15 des Betrachterauges 13 reflektiert. Eine
Linse 27 zwischen der Beleuchtungsquelle 25 und
dem Strahlenteiler 21 ist dazu vorgesehen, um das Licht
von der Beleuchtungsquelle 25 im Wesentlichen auf den Brennpunkt 8 des
Okulars 5 zu fokussieren, was zur Folge hat, dass das Licht
von der Quelle 25, welches das Okular 5 verlässt, im
Wesentlichen parallel zu der Achse 10 des Mikroskops ist. Etwas
von diesem Beleuchtungslicht wird von der Oberfläche der Hornhaut 15 durch
das Okular 5 in die Richtung des Strahlenteilers 23 reflektiert,
von wo es wiederum reflektiert wird und durch eine Linse 31 auf einen
CCD-Sensor 29 fokussiert wird. Wie in 1 gezeigt,
wird das vom CCD-Sensor 29 erzeugte Bild zu einer elektronischen
Verarbeitungseinheit 33 weitergeleitet, welche in dieser
Ausgestaltungsvariante dazu dient, das erhaltene Bild so zu verarbeiten,
dass die Blickrichtung des Beobachters festgestellt und die Autofokussierung
der Objektivlinse 3 dementsprechend gesteuert wird.
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Das
System kann in dieser Ausgestaltungsvariante die Blickrichtung in
einer Auflösung
von schätzungsweise ±3% des
gesamten Blickfelds des Mikroskops identifizieren, welches ungefähr das ist, was
man für
eine natürliche
saccadische Bewegung der Augen erwarten würde. Dies bedeutet, dass die Verfolgungstechnik
selber eine potentiell bessere Auflösung hat als diese Darstellung.
Um in dieser Ausgestaltungsvariante zusätzliches Licht zur Beleuchtung
der Beobachteraugen zur Verfügung
zu haben, werden voneinander getrennte Lichtquellen 35a und 35b und 37a und 37b um
den äußeren Rand des
Okulars 5 bereitgestellt. Vorzugsweise strahlen die Lichtquellen 25, 35 und 37 nahe
dem Infrarotlicht (IR) aus, da dies für das Betrachterauge unsichtbar ist
und sollte deshalb nicht in irgendeiner Reduktion der Pupillengröße oder
in der Bildqualität
des Mikroskopbildes resultieren. In dieser Ausgestaltungsvariante
bestehen diese Lichtquellen aus hochleistungsfähigen 850nm LEDs, welche zu
einer Ausgabe von 0,2 mW auf die vordere Oberfläche des Auges fähig sind,
was wiederum gut den gegenwärtigen
Augensicherheitsrichtlinien entspricht.
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Die
Methode, mittels der das System die Blickrichtung des Betrachters
in dieser Ausgestaltungsvariante feststellt, wird nun anhand der 2 bis 6 beschrieben. 2 ist ein
Blockdiagramm, das die Hauptbestandteile der Vorrichtung zur Blickerfassung
veranschaulicht, welche in dieser Ausgestaltungsvariante zur Feststellung
der Blickrichtung des Beobachters verwendet werden. Wie gezeigt,
wird das Ausgabebild der CCD-Kamera 29 zu einem Speicher 39 geliefert,
wo es von einer Bildverarbeitungseinheit 41 verarbeitet
wird, um die Blickrichtung des Beobachters zu bestimmen. Dies wird
dadurch erreicht, indem man die Position des reflektierten Bildes
der Beleuchtungsquelle 25 im Verhältnis zum Zentrum der Pupille
des Betrachters überwacht.
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3 zeigt
schematisch einen Querschnitt des Betrachterauges, welcher die Hornhaut 15,
die Iris 14, das Okular 5 und die Bildebene 9 zeigt.
Wie gezeigt, steht der Blickwinkel Θx im
Verhältnis
zu der Distanz (x) zwischen der optischen Achse 10 des
Mikroskops 1 und dem Punkt (p) auf der Bildebene 9, welchen
der Betrachter gerade anschaut. Falls die CCD-Kamera 29 auf die vordere Oberfläche des
Betrachterauges fokussiert wird, z. B. auf der Ebene 16, dann
ist auch der Blickwinkel (Θx) von der Distanz (δx) zwischen dem Schnittpunkt
der Achse 10 des Mikroskops und der Ebene 16 sowie
dem beobachteten Zentrum der Betrachterpupille (cp)
abhängig. Folglich
stehen δx
und x in einem linearen Verhältnis. Wie
es Fachleute schätzen
werden, obgleich 3 einen Querschnitt des Mikroskops
in der x-z-Ebene veranschaulicht, existiert eine ähnliches
Verhältnis für den Blickwinkel
(Θy) in der y-z-Ebene. Zwecks Festlegung des
Verhältnisses
zwischen δx
und x und des Verhältnisses
zwischen δy
und y, verwendet das System in dieser Ausgestaltungsform ein Kalibrierungsprogramm
(welches der Beobachter via dem Benutzer-Interface 51 initiieren
kann), in welchem der Beobachter gebeten wird, eine Vielzahl von
bekannten Punkten auf dem Blickfeld des Mikroskops zu betrachten
und in welchem die CCD-Kamera 29 Bilder des Beobachterauges
erfasst, wenn der Beobachter jeden dieser Punkte betrachtet. Diese
Punkte können
identifiziert werden, indem eine passende Kalibrierungskarte zur
Verfügung
gestellt wird, die mit dem Mikroskop betrachtet werden kann. Durch
die Verarbeitung dieser Bilder kann eine Skalierung Ax und
eine Nulllagen-Abweichung
Ox, welche δx mit
x in Verbindung bringt, und eine Skalierung Ay und
eine Nulllagen-Abweichung Oy, welche δy mit
y in Verbindung bringt, bestimmt werden. Diese Skalierungen und
Nulllagen-Abweichungen werden dann für den Gebrauch gespeichert,
wenn das Mikroskop in seinem normalen Betriebsmodus ist.
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Wie
in der Zeichnung in 3 gezeigt, befindet sich das
Beobachterauge auf der optischen Achse des Mikroskops. Wie jedoch
Fachleute es schätzen
werden, da das Licht von der Lichtquelle 25 das Okular 5 als
einen säulenartigen
Strahl verlässt,
wird eine ähnliche
Beziehung bestehen, falls das Beobachterauge sich nicht auf der
Achse des Mikroskops befindet. Folglich wird das System relativ
unempfindlich gegenüber
kleinen Kopfbewegungen um die optische Achse sein.
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4 veranschaulicht
schematisch ein Beispiel des Bildes, das von der CCD-Kamera 29 erzeugt
wurde. Wie gezeigt, zeigt das Bild die Iris 14 und eine
Reflexion oder einen Glanz 18 der Beleuchtungsquelle 25 von
der Oberfläche
des Auges. 4 veranschaulicht auch die Distanz δx zwischen
dem Glanz 18 und dem Zentrum der Pupille 22 am
Punkt cp. Wie es Fachleute schätzen werden,
kann diese Distanz durch eine simple Bildverarbeitungstechnik bestimmt
werden. Deshalb kann durch die Erfassung eines Bildes des Beobachterauges
und durch Messung der Distanz δx
und der korrespondierenden Distanz δy der Punkt (x, y), den der
Beobachter gerade auf der Bildebene 9 betrachtet, durch
Gebrauch der gespeicherten Skalierungen und Nulllagen-Abweichungen
festgestellt werden. Die Erfinder haben durch Experimentieren und
Testen mit verschiedenen Nutzern ermittelt, dass diese Technik den
Blickwinkel des Beobachters innerhalb geschätzter ± 3% des vollständigen Blickfeldes
des Mikroskops ermitteln kann.
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Eines
der Hauptprobleme mit dieser Technik ist jedoch die Erzeugung eines
eindeutigen Bildes des Beobachterauges durch den Gebrauch der CCD-Kamera 29.
Gewöhnlich
reicht das Licht von der Beleuchtungsquelle 25 nicht aus,
um die gesamte Oberfläche
des Beobachterauges auf Grund von den Verlusten in den Strahlenteiler 21 und 23 und dem
Okular 5 zu beleuchten. Daher sind in dieser Ausgestaltungsform
separate Beleuchtungsquellen 35 und 37 um den
Rand des Okulars 5 vorgesehen, um das Beobachterauge zu
beleuchten. Jedoch führt das
Licht von diesen zusätzlichen
Lichtquellen weitere Reflexionen oder Glanz in das Bild ein, welches von
der CCD-Kamera 29 erzeugt
wird, wodurch die Festlegung des Zentrums der Beobachterpupille schwierig
werden kann. Der Weg, wie dieses Problem in dieser Ausgestaltungsform
bewältigt
wird, wird nun in Bezugnahme auf die 5 und 6 beschrieben.
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5a ist
ein Flussdiagramm, das die Verarbeitungsschritte durch die in 2 gezeigte
Steuereinheit 49 veranschaulicht. Wie in Schritt S1 gezeigt, signalisiert
die Steuereinheit 49 der Beleuchtungs-Steuereinheit 57,
dass sie die Lichtquelle 25 und ein erstes Paar der seitlichen
Lichtquellen 35a und 35b einschaltet. Die Steuereinheit 49 signalisiert dann
in Schritt S3 der CCD-Kamera 29,
dass sie ein erstes Bild des Beobachterauges aufnimmt, welches dann
im Speicher 39 gespeichert wird. 6a stellt das
Bild dar, welches von der CCD-Kamera in diesem Schritt erzeugt wird.
Wie gezeigt, hat das Bild drei Glanzpunkte – einen zentralen Glanzpunkt 18 von
der Lichtquelle 25 und zwei äußere Glanzpunkte 24a und 24b,
die durch die Lichtquellen 35a beziehungsweise 35b erzeugt
werden. Die Steuereinheit 49 signalisiert dann in Schritt
S5 der Beleuchtungs-Steuereinheit 57, die Lichtquellen 25 und 35 auszuschalten
und in Schritt S7, das andere Paar der seitlichen Beleuchtungsquellen 37a und 37b einzuschalten.
In Schritt S9 signalisiert dann die Steuereinheit 49 der
CCD-Kamera 29, ein zweites Bild des Beobachterauges aufzunehmen,
welches dann ebenfalls im Speicher 39 abgespeichert wird. 6b veranschaulicht
schematisch das resultierende Bild, das von der CCD-Kamera aufgenommen
wurde, welches die äußeren Glanzpunkte 26a und 26b zeigt,
die von den Beleuchtungsquellen 37a beziehungsweise 37b erzeugt
wurden. Die Ablaufsteuerung fährt
dann mit Schritt S11 fort, in dem die Steuereinheit 49 die
Bildverarbeitungseinheit 41 anweist, die Blickrichtung des
Beobachters anhand der zwei gespeicherten Bilder zu bestimmen. Sobald
die Bilderverarbeitungseinheit 41 diese Blickinformation
bestimmt hat, schickt sie diese zurück zur Steuereinheit 49,
die in Schritt S13 die notwendigen Steuerungsaktionen ausführt. In
dieser Ausgestaltungsform beinhaltet dies die Steuerung des Fokus
der Objektivlinse 3 durch den Gebrauch der Autofokus-Steuerungseinheit 55.
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5b ist
ein Flussdiagramm, das die Verarbeitungsschritte veranschaulicht,
welche durch die Bildverarbeitungseinheit 31 verarbeitet
werden, um die Blickrichtung des Beobachters zu bestimmen. Wie in
Schritt S21 gezeigt, erzeugt die Bildverarbeitungseinheit 41 ein
glanzpunktfreies Bild aus den ersten und zweiten Bildern, die im
Speicher 39 abgespeichert sind (Bilder gezeigt in den 6a und 6b,
indem sie an jedem Pixel die niedrigeren Pixelwerte von den beiden
Bildern nimmt. Dieses glanzpunktfreie Bild ist in 6c gezeigt.
Diese Technik funktioniert, da die Glanzpunkte 18, 24 und 26 an
verschiedenen Pixellagen in den beiden Bildern erscheinen und weil
die Pupille viel dunkler als die Glanzpunkte ist, die Pixelwerte
der Glanzpunkte werden viel größer sein.
Die Ablaufsteuerung fährt dann
mit Schritt S23 fort, in welchem die Bildverarbeitungseinheit 41 das
Zentrum der Pupille 22 aus dem glanzfreien Bild bestimmt.
In dieser Ausgestaltungsform tut sie dieses durch eine Grenzwert-Bestimmung
des Bildes, um die Grenze zwischen der Pupille 22 und der
Iris 14 zu erkennen. Ein möglichst enger Kreis wird dann
um die gekennzeichnete Grenze gelegt und das Zentrum dieses Kreises
wird dann als das Zentrum der Pupille identifiziert.
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Die
Ablaufsteuerung fährt
dann mit Schritt S25 fort, in welchem die Bildverarbeitungseinheit
die Glanzpunkte 18, 24a und 24b von dem
ersten Bild extrahiert, indem das in 6c gezeigte
glanzfreie Bild, von dem in 6a gezeigten
Bild abgezogen wird (z. B. durch Abziehen der Pixelwerte des in 6c gezeigten
Bildes von den Pixelwerten des in 6a gezeigten
Bildes). Die Ablaufsteuerung fährt dann
mit Schritt S27 fort, in welchem die Bildverarbeitungseinheit durch
eine Grenzwert-Bestimmung des in Schritt 25 erzeugten Bildes
die Position der äußeren Glanzpunkte 24a und 24b bestimmt
wird. Von der so bestimmten Position der äußeren Glanzpunkte 24 aus
berechnet die Bildverarbeitungseinheit 41 die Position
des zentralen Glanzpunktes 18. Dies ist deshalb möglich, weil
die Beleuchtungsquelle 25 (welche den zentralen Glanzpunkt 18 erzeugt)
und die Beleuchtungsquellen 35a und 35b (welche
die äußeren Glanzpunkte 24 erzeugen)
im Verhältnis
zueinander in einer bekannten Position fixiert sind. In dieser Ausgestaltungsform
sind die Beleuchtungsquellen 35a und 35b diametral
entgegengesetzt auf dem äußeren Rand
des Okulars 5 angeordnet und die Beleuchtungsquelle 25 sitzt
effektiv auf der optischen Achse des Mikroskops. Dadurch wird die
Position in der Mitte zwischen den beiden äußeren Glanzpunkten liegend
berechnet. Die Ablaufsteuerung fährt
dann mit Schritt S29 fort, in welchem die Bildverarbeitungseinheit 41 eine
genauere Position des zentralen Glanzpunktes 18 ermittelt.
Dieses geschieht durch Grenzwert-Bestimmung
des Bildes rund um die vorhin berechnete Position. Die Bildverarbeitungseinheit 41 bestimmt
dann in Schritt S31 δx
und δy anhand
der bestimmten Position des zentralen Glanzpunktes 18 und
dem Pupillenzentrum. Schließlich
skaliert die Bildverarbeitungseinheit in Schritt S33 δx und δy durch die
Verwendung der gespeicherten Skalierungen Ax und
Ay und wendet die entsprechenden Nulllagen-Abweichungen
Ox und Oy an, um
die Blickinformation in den Bezeichnungen der x-y-Koordinaten des
Punktes im Blickfeld 9, das der Beobachter betrachtet,
auszudrücken.
Zwecks Verfolgung der Beobachteraugen werden in dieser Ausgestaltungsform die
oben aufgeführten
Bearbeitungsschritte etwa 25-mal pro Sekunde durchgeführt.
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Wie
es Fachleute schätzen
werden, arbeitet die oben beschriebene Blickerfassungstechnik gut
in dieser Mikroskopanwendung, weil das Beobachterauge im Gebrauch
gewöhnlich
bei annähernd
derselben Position in Bezug auf das Okular 5 fixiert ist.
Diese Technik ist also besonders angebracht für den Gebrauch in Mikroskopen
und anderen optischen Instrumenten, in welchen der Beobachter ein
Bild anschaut, dass im Wesentlichen im Unendlichen erscheint, da
die x-y-Position auf der Bildebene, wo der Beobachter hinschaut,
einfach durch den Blickwinkel bestimmt wird. Ferner, falls das Bild
echt im Unendlichen ist, werden dann kleine Kopfbewegungen keinen
Einfluss auf den Blickwinkel des Beobachters haben.
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Grundsätzlich können Informationen
betreffend den Blickwinkel des Beobachters erhalten werden, indem
die Differenz in der Position des Pupillenzentrums in Bezug auf
irgendeinen der Glanzpunkte, die von irgendeiner der Beleuchtungsquellen
produziert wurden, gemessen wird. Jedoch erhält man viel akkuratere Resultate,
wenn man Glanzlicht benutzt, das durch eine Quelle (Beleuchtungsquelle 25)
erzeugt wird, die auch im Unendlichen wirksam ist. Dafür gibt es
zwei Hauptgründe.
Erstens wird der Glanzpunkt nahe dem Zentrum der Hornhautwölbung erzeugt,
wo der Radius der Wölbung
relativ konstant ist. Infolgedessen haben die relativ beträchtlichen
Variationen in der Wölbung
der Hornhaut, welche nahe dem Übergangspunkt
von der Hornhautwölbung
zum Rest des Augapfels erscheinen, wenig Einfluss auf die Messung.
Dies ist nicht der Fall bei den Glanzlichter-Paaren, welche durch
die Lichtquellen erzeugt werden, die am äußeren Rand des Okulars 5 angebracht
sind, da diese Glanzlichter sehr nahe an dieser Übergangsregion erscheinen.
Zweitens haben geringe Kopfbewegungen eine kleine Wirkung auf die
relative Position der Quellen des Auges. Infolgedessen muss man
nicht in irgendeiner zusätzlichen Korrektur
die relative Veränderung
der Quelle zum Auge in Betracht ziehen, wenn der Kopf sich bewegt. Wie
bereits erwähnt,
würde dies
nicht der Fall sein, wenn die Glanzpunkte verwendet werden, die
durch die Lichtquellen um den Rand des Okulars erzeugt werden, da
die Beleuchtungsquellen relativ nah am Beobachterauge liegen.
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Alternative
Ausgestaltungsvarianten
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Eine
Anzahl von Modifikationen und alternativen Ausgestaltungsvarianten
werden nun unter Bezugnahme auf die 7 bis 10 beschrieben.
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In
der oben beschriebenen Ausgestaltungsvariante wurde die Information
der Blickrichtung zur Steuerung des automatischen Fokus des Mikroskops 1 verwendet.
Wie es Fachleute schätzen
werden, kann die Information der Blickrichtung für andere Zwecke verwendet werden. 7 zeigt
die Verarbeitungsblöcke,
welche in einer Ausgestaltungsvariante verwendet werden, bei der
die Blickinformation zur Bewegungssteuerung des Mikroskops 1 genutzt wird.
Verarbeitungsblöcke,
die den in 2 beschriebenen gleich sind,
haben dieselbe Bezugsziffer. Wie abgebildet, ist der einzige Unterschied
in dieser Ausgestaltungsvariante die Bereitstellung eines Servo-Reglers 65,
der dazu dient, die Blickinformationsausgabe der Steuereinheit 49 zu
empfangen und hierauf den Betrieb einer Anzahl von Motoren 67 zu regeln,
die das Mikroskop über
dem betrachteten Objekt 7 bewegen.
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8 zeigt
die Anordnung der Verarbeitungs- und Steuerelektronik, die in einer
weiteren Ausgestaltungsvariante der Erfindung benutzt wird. Wie
in 8 abgebildet, wird in dieser Ausgestaltungsvariante
die ermittelte Blickrichtungsinformation dazu gebraucht, um die
Positionierung des Mikroskops und die Fokussierung der Objektivlinse 3 zu kontrollieren.
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9 zeigt
die Verarbeitungs- und Steuerblöcke,
die noch in einer anderen Ausgestaltungsvariante der vorliegenden
Erfindung verwendet werden. Wie abgebildet, wird in dieser Ausgestaltungsvariante
die von der Steuerung erlangte Blickrichtungs-Information zu einem
Display-Treiber 71 weitergeleitet, der die Anzeige des
Menüs auf
einem Display 73 steuert, welches sich im Sucher des Mikroskops
befindet.
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In
der oben genannten Ausgestaltungsvariante wurde die CCD-Kamera 29 auf
die Ebene 16 fokussiert, wie in 3 gezeigt.
Vorausgesetzt, dass die Tiefenschärfe der CCD-Kamera relativ
groß ist, muss
das Beobachterauge nicht exakt auf der Ebene 16 sein, um
fokussiert zu sein. In einer alternativen Ausgestaltungsvariante
kann die CCD-Kamera 29 einen dazugehörigen Autofokus-Schaltkreis
haben, der wirksam wird, um die CCD-Kamera automatisch auf die vordere Oberfläche des
Beobachterauges zu fokussieren. In solch einer Ausgestaltungsvariante jedoch
müsste
das Linsensystem entweder telezentrisch sein oder die Kalibrierungsdaten
müssten
in Anlehnung an den momentanen Fokuspunkt der CCD-Kamera angepasst
werden. Dies kann z. B. dadurch bewerkstelligt werden, dass der
Beobachter auf verschiedene Kalibrierungspunkte in verschiedenen,
unterschiedlichen Distanzen vom Okular 5 aus schauen muss,
um die Beziehung zwischen den Kalibrierungsdaten und dem Fokuspunkt
der CCD-Kamera zu
bestimmen.
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In
der oben genannten Ausgestaltungsvariante wurden zwei Paar von seitlichen
Beleuchtungsquellen 35 und 37 auf dem äußeren Rand
des Okulars 5 vorgesehen, um das Beobachterauge zu beleuchten.
Wie es die Fachleute schätzen
werden, kann die Beleuchtung des Beobachterauges durch den Gebrauch
einer einzelnen Beleuchtungsquelle auf dem Rand des Okulars erreicht
werden. Jedoch ist dies nicht vorzuziehen, da die Beleuchtung einer einzelnen
Quelle nicht für
eine gleichmäßige Beleuchtung
des Beobachterauges sorgt. Durch Verwendung von wenigstens zwei
seitlichen Lichtquellen auf dem Rand des Okulars kann ferner der
Glanz von diesen Lichtquellen in dem Bild dadurch entfernt werden,
indem die erzeugten Bilder kombiniert werden, wenn nur eine der
seitlichen Lichtquellen zu einem gegebenen Zeitpunkt eingeschaltet
wird.
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Die
oben beschriebenen Ausgestaltungsvarianten nehmen alle Bezug auf
eine Blickerfassungstechnik für
die Anwendung bei einem optischen Mikroskop. Wie es die Fachleute
schätzen
werden, kann die oben beschriebene Blickerfassungstechnik in vielen
anderen optischen Instrumenten eingesetzt werden, z.B. in Kameras,
Teleskopen, etc. 10 zeigt ein schematisches Diagramm
einer Kamera 81, die die oben ausgeführte Blickerfassungstechnik
einsetzt. Wie abgebildet, umfasst die Kamera 81 eine Objektivlinse 3,
um das Objekt auf die Zwischenbildebene zu fokussieren. Jedenfalls
wird in einer Kamera ein reelles Bild in der Zwischenbildebene durch
die Anordnung eines diffundierenden Schirms 83 in der Zwischenebene
erzeugt. Das reelle Bild, das auf dem diffundierenden Schirm 83 abgebildet
wird, wird dann von dem Beobachter durch das Okular 5 und
ein Prisma 85 betrachtet. Das Prisma 85 dient
dazu, das Bild richtig auszurichten. Die Kamera 81 hat
auch einen Spiegel 87, der auf und ab bewegt werden kann,
sodass das Licht von dem Objekt auf den Film 89 fokussiert
werden kann. Die übrigen
Bestandteile der Vorrichtung zur Blickerfassung sind dieselben wie
die in den oben beschriebenen Mikroskop-Ausgestaltungsvarianten und werden deshalb
nicht nochmals beschrieben. Jedoch sollte erwähnt werden, dass in dieser
Ausgestaltungsvariante der CCD-Kamera 29 und die Linse 31 vor
dem diffundierenden Schirm 83 angeordnet sind, da das Augenbild
den diffundierenden Schirm 83 nicht durchdringen kann.
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In
den oben beschriebenen Ausgestaltungsvarianten wurden die Kalibrierungsdaten
jedes Beobachters gespeichert. In einer alternativen Ausgestaltungsvariante
könnten
die Kalibrierungsdaten eines Beobachters für einen oder mehrere andere
Beobachter verwendet werden. Jedoch ist solch eine Ausgestaltungsvariante
nicht vorzuziehen, da die Resultate für die anderen Beobachter nicht
so genau werden. Dies ist deshalb der Fall, weil die Kalibrierungsdaten
für einen
Beobachter vom Radius der Hornhautwölbung des Beobachters abhängen. Die
Genauigkeit solcher gemeinsamer Kalibrierungsdaten kann verbessert
werden, wenn es erreicht wird, dass man den Durchschnitt von Kalibrierungsdaten
einiger Beobachter errechnet.
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In
den oben beschriebenen Ausgestaltungsvarianten würde das System automatisch
den Fokus der Objektivlinse verändern,
wenn sich die Blickrichtung des Beobachters zu einer anderen Position
im Blickfeld bewegte, welche unscharf war. In einigen Anwendungen
könnte
solch eine automatische Veränderung
des Fokus nicht erwünscht
sein. In diesem Fall könnte
die Verarbeitungselektronik so angeordnet werden, dass die automatische
Fokussierung nur ändert,
falls entweder der Beobachter für
eine vorher festgelegte Zeitspanne auf denselben Punkt fokussiert
bleibt oder wenn der Beobachter einen Steuerbefehl eingibt, der
signalisiert, dass er den Fokus geändert haben will.
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In
den oben beschriebenen Ausgestaltungsvarianten wurde ein Strahlenteiler
verwendet, um den CCD-Sensor und die Sensorlinse exakt auf der Mikroskop-Achse
anzuordnen. Wie es die Fachleute schätzen werden, ist es nicht wesentlich,
einen solchen Strahlenteiler zu verwenden. Z.B. können der CCD-Sensor
und die Sensorlinse abseits der optischen Achse 10 des
Mikroskops angeordnet sein, vorausgesetzt, dass der CCD-Sensor noch
das Beobachterauge „sehen" kann. Wenn der CCD-Sensor
im Vergleich zum Durchmesser der Objektivlinse relativ klein ist,
dann kann der CCD-Sensor alternativ noch entlang der Achse 10 der
Objektivlinse angeordnet werden. Jedoch ist diese Ausgestaltungsvariante nicht
bevorzugt, weil sie die Lichtmenge reduziert, die in das Auge des
Beobachters eintritt. Auf die gleiche Weise kann die Beleuchtungsquelle 25 abseits
der optischen Achse 10 des Mikroskops angeordnet sein,
vorausgesetzt, dass das Licht von ihm das Beobachterauge trifft
und dass es in das Mikroskop und auf den CCD-Sensor zurückreflektiert wird.
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In
den oben beschriebenen Ausgestaltungsvarianten ist ein einzelner
optischer Strahlengang durch die optischen Instrumente dargestellt
worden. Wie es die Fachleute schätzen
werden, könnte
eine ähnliche
Vorrichtung zur Blickerfassung in dem anderen optischen Strahlengang
vorgesehen sein, wo es zwei optische Strahlengänge gibt (einen für jedes
Auge). Falls das optische Instrument dem Beobachter ermöglicht,
das Objekt mit beiden Augen zu betrachten, dann könnte alternativ
dazu eine einzeln auswählbare
Vorrichtung zur Blickerfassung zur Verfügung gestellt werden.