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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung.
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In
der Mikrochirurgie wird das vom Chirurgen eingesehene Sehfeld üblicherweise über ein
Operationsmikroskop betrachtet. Ein solches Operationsmikroskop
ist beispielsweise in der
DE
24 23 136 C3 beschrieben.
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Die
DE 41 16 385 A1 offenbart
ein Operationsmikroskop mit Ophthalmoskopie-Vorsatzmodul. In dem Ophthalmoskopie-Vorsatzmodul
sind auf der objektzugewandten Seite des Systems zwei bewegbar angeordnete
Linsen vorgesehen. Diese Linsen bilden ein Objektiv, welches eine
objektseitig variable Entfernungseinstellung ermöglicht. Werden die Linsen verstellt,
indem sie in Richtung des Mikroskop-Hauptobjektivs des Operationsmikroskops
bewegt werden, so hat dies eine Verlagerung von Objekt- und Bildebene
der mit den Linsen im Ophthalmoskopie-Vorsatzmodul gebildeten Abbildungsoptik zur
Folge.
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Neben
der unmittelbaren Betrachtung des interessierenden Sehfeldes über einen
am Operationsmikroskop angeordneten binokularen Beobachtungstubus
bieten Operationsmikroskope in der Regel die Möglichkeit, aus den stereoskopischen
Beobachtungsstrahlengängen
mittels geeigneter Strahlteiler-Elemente Teile der Beobachtungsstrahlengänge auf
Video-Kameras auszukoppeln und auf einem Monitor darzustellen. Ein
solches Operationsmikroskop ist beispielsweise in der
DE 92 05 870 U1 erläutert.
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Die
DE 93 01 434 U1 offenbart
ein Stereo-Operationsmikroskop, bei dem drei elektrooptische Detektorelemente
vorgesehen sind, die es ermöglichen,
in unterschiedlichen Perspektiven Stereo-Bildpaare auf einem Monitor
darzustellen. Aus der
DE
38 08 969 C1 ist eine Vorrichtung bekannt, welche die Signale
zweier Kameras miteinander kombiniert um auf einem Monitor ein Bild
anzuzeigen, das bei Betrachten mit einer 3D-Brille einen räumlichen
Seheindruck vermittelt.
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Bei
Operationsmikroskopen erweist es sich als problematisch, 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 unmittelbaren Beobachtungsstrahlengang derart reduziert werden, dass
kein vernünftiger
Seheindruck für
den operierenden Chirurgen mehr resultiert.
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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 stereoskopischer, d.h. räumlicher Eindruck des betrachteten
Sehfeldes für
den operierenden Chirurgen gewährleistet
ist. Dies ist jedoch zwingend erforderlich, um die mikrochirurgischen
Arbeiten mit der erforderlichen Genauigkeit durchzuführen.
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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.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine stereoskopische Bild aufnahmevorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruches 1 oder mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Vorteilhafte
Ausführungsformen finden
sich in den Unteransprüchen.
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Die
erfindungsgemäße stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung
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.
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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.
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Das
Bild in dieser Zwischenbildebene wird über die nachfolgend angeordnete
Objektiv-Baugruppe betrachtet bzw. weiter auf die elektrooptischen
Bildaufnehmer abgebildet. Die Objektiv-Baugruppe und das Objektiv
zur variablen Entfernungseinstellung bilden demnach ein gemeinsames
Objektiv-System mit einer internen Zwischenabbildung in eine Zwischenbildebene
mit definierter, fester Lage.
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Die
erfindungsgemäße stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung
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.
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Dem
Objektiv zur variablen Entfernungseinstellung können dabei optische Systeme
nachgeordnet werden, die sowohl dem Grenough-Typ oder aber dem Teleskop-Typ
aus Stereomikroskopen entsprechen. Ferner können hierbei jederzeit noch
weitere Vergrößerungsstufen
wahlweise zwischengeschaltet werden. Insgesamt resultiert eine flexible
Verwendung der erfindungsgemäßen stereoskopischen
Bildaufnahmevorrichtung.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung
eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Wiedergabe der aufgenommenen
Bilder nachgeordnet, die für
eine Vielzahl von Beobachtern einen räumlichen Gesamteindruck des
interessierenden Sehfeldes anbietet.
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Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, das Objektiv zur variablen Entfernungseinstellung
mit einem Autofokussiersystem 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.
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Im
Gegensatz zu Stereokamera-Anordnungen, bei dem die beiden Kamera-Einheiten
in einem definierten, festen Konvergenzwinkel zueinander angeordnet
sind, ermöglicht
die erfindungsgemäße Vorrichtung
desweiteren 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.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der beigefügten
Zeichnungen.
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Dabei
zeigt
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
des optischen Systems der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung
mit einem gemeinsamen, festbrennweitigen Objektiv für zwei Teil-Strahlengänge;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
des optischen Systems der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung
mit zwei separaten Teilobjektiven für zwei Teil-Strahlengänge;
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3 ein
schematisiertes Blockschaltbild einer Gesamt-Anordnung, bestehend aus der erfindungsgemäßen stereoskopischen
Bildaufnahmevorrichtung und einer nachgeordneten Vorrichtung zur Darstellung
dreidimensionaler Bilder.
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel des
optischen Systems der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung
schematisiert dargestellt.
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Mit
dem Bezugszeichen (1) sei hierbei ein erstes Objektiv bezeichnet,
das eine objektseitig variable Entfernungseinstellung durch den
Benutzer ermöglicht
und zudem gestattet, die Vergrößerung zu variieren.
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Unterschiedliche
objektseitige Entfernungseinstellungen dieses Objektives (1)
sind in 1 durch die beiden objektseitigen
Strahlengänge
(A) und (B) dargestellt.
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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. Desweiteren 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 Entfernungseinstellung zu gewährleisten.
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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 Brennweite.
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Das
Objektiv (1) im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dabei als
Objektiv mit fester Brennweite ausgeführt und ermöglicht eine Variation der objektseitigen
Schnittweite im Intervall [∞;
0,8 m]. Dieses – schematisiert
dargestellte – Objektiv
(1) weist einen bekannten Aufbau auf, wie etwa ein herkömmliches
Photoobjektiv, z.B. das Zeiss Planar T*, 1:2, f = 110 mm. Im Ausführungsbeispiel
gemäß 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.
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Wie
bereits erwähnt
kann dieses Objektiv (1) auch komplett verschiebbar ausgelegt
werden, um dergestalt die variable Entfernungseinstellung zu gewährleisten.
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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.
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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
elektrooptische Bildaufnehmer (5a, 5b) dienen
z.B. bekannte CCD-Arrays,
wie sie etwa aus Video-Kameras bekannt sind.
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Neben
der Möglichkeit,
zwei separate elektrooptische Bildaufnehmer 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 Teilstrahlengängen beaufschlagt
wird. Hierzu ist vor dem jeweiligen elektrooptischen Bildaufnehmer
ein geeignetes Shutterelement 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.
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In 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 eindeutig 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 Patentanmeldung P
41 31 737.8 der Anmelderin enthalten.
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Alternativ
zum skizzierten, aktiven Autofokussiersystem ist jedoch auch jedes
bekannte andere Autofokussiersystem in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
einsetzbar.
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Wie
bereits erwähnt,
bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung
verschiedene Möglichkeiten,
auch die Vergrößerung des
betrachteten Objektdetails wunschweise einzustellen. So ist es möglich, das
Objektiv (1) in Art und Weise eines bekannten 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.
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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.
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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.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 1 wurde die zweite Objektivbaugruppe (2)
als gemeinsames optisches Element für die beiden Teilstrahlengänge ausgelegt.
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Eine
hierzu alternative Variante der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung
ist in 2 dargestellt. Das erste Objektiv (10)
dieses Ausführungsbeispieles
sowie die entsprechenden Strahlengänge (A', B')
entsprechen dabei dem des ersten Ausführungsbeispieles in 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.
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Auch
in diesem Ausführungsbeispiel
sind die oben erwähnten
Möglichkeiten
zur Variation bzw. definierten Einstellung einer gewünschten
Vergrößerung realisierbar.
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Während demnach
im ersten Ausführungsbeispiel
der stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung in 1 das
dem Objektiv (1) nachgeordnete optische System dem Teleskop-System
aus Stereomikroskopen ähnelt,
ist im zweiten Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung
ein sogenanntes Greenough-System vorgesehen.
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Ein
schematisiertes Blockschaltbild einer Gesamtanordnung, bestehend
aus der erfindungsgemäßen stereoskopischen
Bildaufnahmevorrichtung sowie einer nachgeordneten Vorrichtung zur
Darstellung dreidimensionaler Bilder ist in 3 skizziert.
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Die
Signale der elektrooptischen Bildaufnehmer (105a, 105b)
werden dabei auf eine nachgeordnete Verarbeitungseinheit (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 alternierende Halbbilder auf dem Display (120) präsentiert
werden. Über
eine geeignet synchronisierte Shutterbrille (130) ist für den Beobachter
die dreidimensionale Wahrnehmung dieser Bilder möglich.
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Eine
geeignete Vorrichtung zur Darstellung dreidimensionaler Bilder,
d.h. der Verarbeitung der von den elektrooptischen Bildaufnehmern
gelieferten Signale, ist etwa in der internationalen Patentanmeldung
WO 93/08665 der Anmelderin
explizit dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung
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
ausleuchtet.
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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 erforderlichen 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.