CN113376824A - 用于调整图像限制框的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学观察***和用于使目镜图像与光学观察***的摄像机图像相互协调适配的方法，光学观察***允许用眼睛观察光学图像和用摄像机进行光学图像的图像拍摄。光学观察***包括光学设备、带有视场光阑的目镜、分光器和带有图像拍摄平面的摄像机。根据本发明的方法如下进行：‑目镜从其背离光学设备的一侧被照明，使光线穿过目镜到达分光器，从而使光线从第一部分反射面被部分反射至第二部分反射面，从第二部分反射面被部分反射至摄像机，结果使得摄像机检测到目镜的视场光阑的影像作为图像拍摄平面上的光斑，‑确定图像拍摄平面上的光斑的中点的位置并且‑根据图像拍摄平面上的光斑的中点的位置定向图像限制框。

Description

用于调整图像限制框的方法

技术领域

本发明涉及一种用于使目镜图像与摄像机的摄像机图像相互协调适配的方法，摄像机是光学观察***的组成部分，光学观察***既允许用眼睛视觉地观察光学图像也允许借助摄像机进行光学图像的图像拍摄。光学观察通过目镜进行，而一部分光线借助分光器反射至摄像机，以便在用眼睛进行视觉观察期间也拍摄摄像机图像、例如静止图像或者视频。光学观察***例如是显微镜、内窥镜、望远镜或者类似***。本发明也涉及一种摄像机***。

背景技术

设计用于视觉观察的光学设备、如显微镜、内窥镜、相机取景器和望远镜通常与具有分光器的摄像机共同使用，由此能够同时进行视觉观察和视频观察。摄像机图像为此应该尽可能地这样设置，使得视觉的目镜图像与摄像机的视频图像相互匹配。由于机械公差和在摄像机与目镜处的放大，摄像机图像和目镜图像通常没有被足够处于中心地彼此机械定向并且目镜的视场的精确尺寸并不总是已知的。相应的校核是耗费的并且要求对于校准光学设备的经验。

发明内容

本发明的目的在于，实现一种用于彼此匹配地设置视觉的目镜图像与摄像机的视频图像的简单可行性。

按本发明为此建议一种用于使目镜图像与摄像机的摄像机图像相互协调适配的方法，摄像机是光学观察***的组成部分，光学观察***既允许用眼睛观察光学图像也允许用摄像机进行光学图像的图像拍摄。光学观察***例如是显微镜、内窥镜、望远镜或者类似***。

光学观察***包括：

-光学设备、如显微镜、望远镜或者类似设备，

-用于借助眼睛直接地视觉观察光学图像的目镜，其中，目镜具有视场光阑，

-分光器和

-具有图像拍摄平面的摄像机。

分光器、目镜和摄像机布置为，使得由光学设备提供的光学图像能够同时通过目镜用眼睛进行视觉观察并且用摄像机进行拍摄。分光器具有两个部分反射面，其中所述部分反射面中的第一部分反射面在以下平面中延伸，所述平面的面法线相对于摄像机的主轴成45°角地延伸，并且所述部分反射面中的第二部分反射面在以下平面中延伸，所述平面的面法线相对于摄像机的主轴成90°角地延伸。

按照所述方法，如下地根据目镜图像调整用于摄像机的摄像机图像的图像限制框(Bildmaske)：

-目镜从其背离光学设备的一侧被照明并且使光线穿过目镜到达分光器，从而使光线从第一部分反射面被部分反射至第二部分反射面，并且从第二部分反射面进一步地被部分反射至摄像机，结果使得摄像机检测到目镜的视场光阑的影像作为图像拍摄平面上的光斑，

-确定图像拍摄平面上的光斑的中点的位置并且

-根据图像拍摄平面上的光斑的中点的位置定向所述图像限制框。

按照本发明也建议一种摄像机***，在所述摄像机***中实施按照本发明的方法。

按照本发明的方法是快速的，可靠地防止错误操作的，并且当在摄像机***中实施时，可以通过按下按钮就全自动地进行。为此不需要专门培训的人员。因为所述方法包含对摄像机物镜和视场光阑的几何测量，所以实现了良好的精度。

本发明包含的理念是，改变用于校准的目镜的用途并且如物镜那样地运行目镜。也就是倒转地、即向后地使用穿过目镜的光路。同样改变了分光器的用途，以便将目镜的视场光阑的回射(或者说反向反射)转向至摄像机的图像拍摄平面上以实现校准。

光学设备、例如显微镜的用于观察对象的光线入射被关闭或者减弱，但为此例如通过现有的室内照明装置照亮目镜。在校准时，也可以在目镜与光源之间布置光学漫射体。目镜的视场光阑的回射被作为摄像机图像检测到。形成视场光阑的影像的光斑在摄像机图像中的位置可以通过图像识别检测到。优选检测光斑、即视场光阑的影像的中点和直径。与摄像机***连接的或者集成在摄像机***中的图像处理装置随即可以根据图像限制框电子地调节待显示在监视器或者显示屏上的图像的图像位置和图像尺寸。

所述方法良好地适合在用于立体镜式的手术显微镜的摄像机***中实施。在立体镜式的光学设备的情况下，校准两个图像限制框。

按照本发明也建议一种光学观察***，所述光学观察***具有带有目镜的光学设备、分光器、摄像机和图像处理装置。分光器、目镜和摄像机布置为，使得由光学设备提供的光学图像能够同时通过目镜用眼睛进行视觉观察并且用摄像机进行拍摄。分光器具有至少两个部分反射面，其中所述部分反射面中的第一部分反射面在以下平面中延伸，所述平面的面法线相对于摄像机的主轴成45°角地延伸，并且所述部分反射面中的第二部分反射面在以下平面中延伸，所述平面的面法线相对于摄像机的主轴成90°角地延伸。

所述图像处理装置配置用于，

-识别由摄像机的图像传感器拍摄的目镜的视场光阑的影像作为图像拍摄平面上的光斑，

-确定图像拍摄平面上的光斑的中点的位置并且

-根据图像拍摄平面上的光斑的中点的位置确定用于所述图像限制框的中点。

优选地，所述图像处理装置还配置用于，

-确定图像拍摄平面上的光斑的半径或者直径，并且

-根据图像拍摄平面上的光斑的中点的半径或者直径，确定用于图像限制框的半径或者直径。

进一步优选地，所述图像处理装置配置用于，根据图像限制框的位置和尺寸，遮掩(maskieren)并且缩放图像传感器上的影像的通过图像限制框定义的部分，并且生成用于监视器或者显示屏的相应的输出图像信号。

附图说明

现在根据实施例参照附图详细阐述本发明。在附图中：

图1示出具有所谓的无限远光学器件的显微镜的光路；

图2示意性地示出分光器在显微镜上的常见使用方式，其用于将图像反射到摄像机上；

图3示出光路的按照本发明地反转的使用方式；

图4示出具有所谓的无限远光学器件的显微镜的光路；

图5示出在视觉观察时在显微镜中通过目镜观察生物对象的例子；

图6示出与图5中的目镜观察对应的摄像机图像；

图7示出按照本发明通过摄像机得到的视场光阑的影像；

图8说明了电子图像限制框的位置的确定；

图9示出如何在通过之前步骤确定的图像限制框内读出被遮掩的传感器图像；

图10示出合成的显示屏视图；并且

图11以流程图的形式说明了按照本发明的方法。

具体实施方式

图1示出光学观察***10，其中光学设备是具有目镜14的显微镜12。

目镜14允许用眼睛16视觉地观察由显微镜12提供的光学图像。

为了同时也能够用摄像机18拍摄所述图像，在显微镜12的光路20中布置有分光器22。显微镜12是具有所谓的无限远光学器件的显微镜。由这个名称可以得出，相应的对象24通过显微镜物镜26向无限远处成像。由此在分光器22处存在平行的光线。通过分光器22，一部分光线被向摄像机18反射，而另一部分光线穿过分光器22并且通过目镜14到达进行观察的眼睛16。由此对象24可以同时通过目镜14视觉地观察并且由摄像机18成像。摄像机为此具有摄像机物镜28和图像传感器30。摄像机物镜28在图像传感器30的图像拍摄平面34上形成对象24的影像32。

为了视觉观察，显微镜12具有管状透镜36，所述管状透镜使平行的光路聚焦并且在目镜14的视场光阑38的平面上产生对象24的真实的中间图像40。所述中间图像可以由眼睛16通过目镜14的目镜透镜42观察到。

分光器22在本实施例中是分光立方体，其具有外部平面44和沿对角线延伸的部分反射镜面46。由于分光立方体的光学密度，在外部平面44上也进行部分反射。

图2以草图说明了在观察对象时穿过观察***10的常见光路。光线通过光学设备的物镜进入光学设备；参见附图标记48。光线通过分光器22，部分被入射到目镜14并且部分被朝向摄像机18(部分)反射。

目镜14、分光器22和具有其物镜28的摄像机18通常没有这样相互协调适配，使得对象24的、由图像传感器30在其图像拍摄平面34上检测到的影像32与在视觉观察时通过目镜14在眼睛16中呈现的图像相符。减小或者尽可能地避免视觉观察的图像与由摄像机18提供的影像32之间的这种偏差的可能性在于，准确地定向并且相互校核摄像机18和目镜14。然而这是耗费的并且要求经验和技巧。

因此按照本发明建议，这样产生或者调整用于对象24的由图像传感器30拍摄的影像32的图像限制框50，使得对象24的影像32如对象24的被视觉观察的图像那样显现在图像限制框50中。

为此反转通过目镜14和分光器22的光路，方式为从目镜14的背离光学设备12的一侧照明所述目镜14并且光线穿过目镜14到达分光器22。为此设置光源52，所述光源(将光线)照射到目镜14中；参见附图标记54。取代专用的光源52，日光也可以照射到目镜14中。

与摄像机18相连的或者与摄像机18共同形成摄像机***80的图像处理装置82首先处理在反转光路中(通过目镜14照明)由图像传感器30获得的具有光斑32’的图像，所述光斑是目镜14的视场光阑38的影像，以便定义图像限制框50。由此获得的图像限制框50随即在之后应用于处理对象24的图像，以便将这些图像如所述对象通过目镜14呈现给观察者那样地显示在监视器84或者显示屏84上。

图3示出了光路的按照本发明地反转的使用方式。对象照明被关闭。取而代之地，照亮目镜14和处于其中的视场光阑38。光线穿过目镜14并且到达具有部分反射镜面46的分光器22。通过目镜入射的光线从所述分光器被部分反射至分光器22的背离摄像机18的平面44。在分光器22的背离摄像机18的平面44上形成回射，所述回射穿过分光器22的背离摄像机18的平面44并且到达摄像机18。穿过部分反射镜面46的光线被分光器22的背离目镜14的平面44往回反射至部分反射镜面46并且同样由所述部分反射镜面部分反射至摄像机18。摄像机18将目镜14的视场光阑、即其定义视场56的光通孔成像在图像传感器30的图像拍摄平面34上。

图4示出这种具有分光器的显微镜的按照本发明的反转使用。在此，目镜14被照明。处于目镜中的视场光阑38用作对象。分光立方体22的两个标出的平面44通过空气和玻璃的折射率的不同而产生部分反射。这种正常情况下不期望的部分反射由本发明利用。由此在摄像机18的图像传感器30上形成目镜14的视场56的图像。由此能够借助摄像机测量目镜的视场56的尺寸和位置。

图5示出在视觉观察时在显微镜中通过目镜观察生物对象60的例子。视场通过目镜的圆形的视场边缘62被削减。

图6示出对象60的对应的摄像机图像32。图像传感器30呈矩形并且图像中心和视场延伸与用目镜观察时不一致。

图7示出按照本发明通过摄像机18获得的视场光阑38或者视场56的影像32，所述影像在使用关于图3和图4描述的反转光路时产生。目镜14的视场56的影像32能够作为具有圆形边缘32’的被照得很亮的圆识别出。

图8说明了如何确定电子图像限制框50的位置。圆形的视场56的影像32’的中点64或者半径66例如通过图像识别确定。通过在主点68处的点镜像获得电子图像限制框50的中点70。主点64通过摄像机物镜28的光轴72与摄像机18的图像平面34的交点定义。这种点镜像是必要的，因为视场在所示实施例中由摄像机18镜像地检测。附图标记74表示图像限制框50的边缘。备选地，回射可以通过布置在分光器的周围环境中的回射器这样定向，从而不需要点镜像。

图9示出如何(只)在通过前述步骤确定的图像限制框50内读出被遮掩的传感器图像。

图10示出合成的显示屏视图。借助电子器件或者软件，根据在前述步骤中获得的目镜视场的位置和尺寸遮掩和(按比例)缩放传感器图像。由此存在图像圆与通过目镜观察的景象的一致性。备选地，也可以更强地或者更弱地缩放局部。由此例如可以完全满足显示屏格式，其中，图像中心与目镜图像的中心一致。

图11以流程图的形式显示按照本发明的方法。

为了产生和/或调整图像限制框50，从目镜14的背离光学设备12的一侧照明目镜14并且光线穿过目镜14到达分光器22，从而使光线从第一部分反射面46被部分反射至第二部分反射面44，并且从第二部分反射面44进一步地被部分反射至摄像机18，结果使得摄像机检测到(110)目镜14的视场光阑38的影像作为图像拍摄平面上34的光斑32’。

确定(120)图像拍摄平面34上的光斑32’的中点64的位置并且接下来根据图像拍摄平面34上的光斑32’的中点64的位置定向图像限制框50。

根据图像拍摄平面34上的光斑的中点64的位置定向所述图像限制框50的过程包括将光斑32’的中点64的位置在主点68处进行点镜像(130)，在所述主点处，摄像机物镜28的(光学)主轴72与图像拍摄平面30相交。

此外，为了调整图像限制框50，检测(140)图像拍摄平面34上的光斑32’的半径66或者直径，并且在考虑所述图像拍摄平面34上的光斑32’的半径66或者直径的情况下调整(150)图像限制框50的半径或者直径。

在以此方式确定了图像限制框50时，根据在前述步骤中获得的目镜视场的影像32’的位置和尺寸遮掩并且缩放(160)图像传感器30上的影像32的通过图像限制框50定义的部分，并且相应地例如显示(170)在监视器84上。

附图标记清单

10观察***

12显微镜

14目镜

16眼睛

18摄像机

20光路

22分光器

24对象

26显微镜物镜

28摄像机物镜

30图像传感器

32对象的影像

34图像拍摄平面

36管状透镜

38视场光阑

40中间图像

42目镜透镜

44平面

46部分反射镜面

48正常的光入射

50图像限制框

52光源

54反转的光入射

56视场

60对象

62视场边缘

64圆形的视场的影像的中点

66圆形的视场的影像的半径

68主点

70电子图像限制框的中点

72摄像机物镜的光轴

74图像限制框的边缘

80摄像机***

82图像处理装置

84监视器/显示屏

Claims (7)

1.一种用于使目镜图像与作为光学观察***的组成部分的摄像机的摄像机图像相互协调适配的方法，所述光学观察***具有

-光学设备，

-具有视场光阑的、用于借助眼睛直接地视觉观察的目镜，

-分光器和

-具有图像拍摄平面的摄像机，

其中，分光器、目镜和摄像机布置为，使得由光学设备提供的光学图像能够同时通过目镜用眼睛进行视觉观察并且用摄像机进行拍摄并且

其中，分光器具有两个部分反射面，其中所述部分反射面中的第一部分反射面在以下平面中延伸，所述平面的面法线相对于摄像机的主轴成45°角地延伸，并且所述部分反射面中的第二部分反射面在以下平面中延伸，所述平面的面法线相对于摄像机的主轴成90°角地延伸，

其特征在于，

通过以下方式调整用于摄像机的摄像机图像的图像限制框：

-目镜从其背离光学设备的一侧被照明并且使光线穿过目镜到达分光器，从而使光线从第一部分反射面被部分反射至第二部分反射面，并且从第二部分反射面进一步地被部分反射至摄像机，结果使得摄像机检测到目镜的视场光阑的影像作为图像拍摄平面上的光斑，

-确定图像拍摄平面上的光斑的中点的位置并且

-根据图像拍摄平面上的光斑的中点的位置定向所述图像限制框。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，根据图像拍摄平面上的光斑的中点的位置定向所述图像限制框的过程包括将光斑的中点的位置在以下点处进行点镜像，在所述点处，摄像机的(光学)主轴与图像拍摄平面相交。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了调整图像限制框，检测图像拍摄平面上的光斑的直径，并且在考虑所述图像拍摄平面上的光斑的直径的情况下调整图像限制框的直径。

4.按权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，将分光立方体用作分光器，并且第二部分反射面是分光立方体的外表面。

5.一种光学观察***，具有带有目镜(14)的光学设备(12)、分光器(22)、摄像机(18)和图像处理装置(82)，

其中，分光器(22)、目镜(14)和摄像机(18)布置为，使得由光学设备(12)提供的光学图像(32、40)能够同时通过目镜(14)用眼睛进行视觉观察并且用摄像机(18)进行拍摄并且

其中，分光器(22)具有至少两个部分反射面(44、46)，其中所述部分反射面中的第一部分反射面(46)在以下平面中延伸，所述平面的面法线相对于摄像机的主轴(72)成45°角地延伸，并且所述部分反射面中的第二部分反射面(44)在以下平面中延伸，所述平面的面法线相对于摄像机的主轴(72)成90°角地延伸，

其特征在于，

所述图像处理装置(82)配置用于，

-识别由摄像机(18)的图像传感器(30)拍摄的目镜的视场光阑的影像(32’)作为图像拍摄平面(34)上的光斑(32’)，

-确定图像拍摄平面(34)上的光斑(32’)的中点(64)的位置并且

-根据图像拍摄平面(34)上的光斑(32’)的中点(64)的位置确定用于所述图像限制框(50)的中点(70)。

6.按权利要求5所述的光学观察***，其特征在于，所述图像处理装置(82)配置用于，

-确定图像拍摄平面(34)上的光斑(32’)的半径(66)或者直径，并且

-根据图像拍摄平面(34)上的光斑(32’)的中点(64)的半径(66)或者直径，确定用于图像限制框(50)的半径或者直径。

7.按权利要求5或6所述的光学观察***，其特征在于，所述图像处理装置(82)配置用于，

根据图像限制框(50)的位置和尺寸，遮掩并且缩放图像传感器(30)上的影像(32)的通过图像限制框(50)定义的部分，并且生成用于监视器(84)或者显示屏的相应的输出图像信号。

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