DE102012220051A1

DE102012220051A1 - Stereomikroskop mit Stereovariator

Info

Publication number: DE102012220051A1
Application number: DE102012220051.7A
Authority: DE
Inventors: Robert Lettow; Harald Schnitzler; Christian Marte
Original assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Current assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2014-05-08
Anticipated expiration: 2032-11-03
Also published as: CN204807795U; WO2014068058A1; DE102012220051B4

Abstract

Es wird ein Stereomikroskop (10) mit einem zwischen einem ersten und einem zweiten stereoskopischen Kanal (R, L) und einem Hauptobjektiv (2) vorgesehenen Stereovariator (1) vorgeschlagen. Mit diesem sind eine erste und eine zweite optische Achse (33R, 33L) parallel zu einer Axialrichtung (A) auf einen eine Stereobasis des Stereomikroskops (10) definierenden Abstand (S) einstellbar. Der Stereovariator (1) weist objektseitig vor dem ersten stereoskopischen Kanal (R) eine erste reflektierende teildurchlässige Fläche (11) und objektseitig vor dem zweiten stereoskopischen Kanal (L) eine zweite reflektierende Fläche (12) auf, wobei die erste reflektierende teildurchlässige Fläche (11) und die zweite reflektierende Fläche (12) parallel zueinander und schräg zu der Axialrichtung (A) angeordnet sind. Auf diese Weise durchsetzt ein Teilstrahl eines ersten Lichtbündels entlang der ersten optischen Achse (33R) die erste reflektierende teildurchlässige Fläche (11) und durchstrahlt den Stereovariator (1) ablenkungsfrei, hingegen wird ein Teilstrahl eines zweiten Lichtbündels entlang der zweiten optischen Achse (33L) an der ersten reflektierenden teildurchlässigen Fläche (11) und an der zweiten reflektierenden Fläche (12) abgelenkt und tritt aus dem Stereovariator (1) mit einem parallelen Versatz aus. Ein entsprechender Stereovariator (1) und seine Verwendung, ein Videomikroskopiesystem (100) und ein Verfahren zur Darstellung stereoskopischer Bilder werden ebenfalls vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stereomikroskop mit einem Stereovariator zur Einstellung eines eine Stereobasis des Stereomikroskops definierenden Abstands zweier optischer Achsen, einen entsprechenden Stereovariator und seine Verwendung in einem Stereomikroskop, ein Videomikroskopiesystem und ein Verfahren zur Darstellung stereoskopischer Bilder.
Stand der Technik
Die Grundlage des räumlichen Sehens ist die Betrachtung eines Objekts aus zwei Blickwinkeln, die sich üblicherweise aus dem Augenabstand des Betrachters ergeben. Werden beide Augen auf einen Punkt gerichtet, schließen die beiden Augenachsen einen Winkel (Gesichts- bzw. Konvergenzwinkel) ein, der umso größer wird, je näher sich der Punkt an den Augen befindet. Die von den beiden Augen wahrgenommenen Bilder werden auf dieser Grundlage vom Gehirn zu einem räumlichen Gesamteindruck (Raumbild) kombiniert.
Während beim natürlichen Sehen der Konvergenzwinkel kontinuierlich dem Objektabstand angepasst werden kann, ist dies in technischen Einrichtungen, beispielsweise Stereomikroskopen, häufig nicht möglich. In Stereomikroskopen vom Teleskoptyp, wie sie unten unter Bezugnahme auf die beigefügte 1 erläutert sind, verlaufen die optischen Achsen der stereoskopischen Kanäle bildseitig des Hauptobjektivs immer parallel. Die Achsen der stereoskopischen Kanäle weisen konstruktionsbedingt einen Minimalabstand auf, der nicht unterschritten werden kann. Der Winkel, unter dem ein Punkt auf einem Objekt betrachtet wird, und damit der Konvergenzwinkel, definiert sich damit über den brennweitenabhängigen Abstand zwischen Objekt und Objektiv und den Abstand der stereoskopischen Kanäle (üblicherweise als Stereobasis oder Basislänge bezeichnet).
Insbesondere bei hohen Objektivvergrößerungen – und damit geringen Abständen zwischen Objekt und Objektiv bei fester Stereobasis – führt dies bisweilen zu verfälschten Seheindrücken. In solchen Fällen wird ein Objekt aus einer Distanz betrachtet, in welcher der durch das Stereomikroskop vorgegebene Konvergenzwinkel größer ist als der vom Gehirn erwartete Winkel. Hierdurch kommt es zu überhöht wahrgenommenen Bildern. Umgekehrt erscheint dem Betrachter bei unerwartet geringen Konvergenzwinkeln das Bild des beobachteten Objekts verflacht.
Die genannten Effekte zeigen sich insbesondere bei Videomikroskopiesystemen, bei welchen stereoskopische Bilder beispielsweise auf Monitoren oder mit Projektionssystemen angezeigt werden. In derartigen Systemen befindet sich der Betrachter mitunter in einem beträchtlichen Abstand zur Anzeige- bzw. Projektionsfläche. Das Gehirn des Betrachters erwartet daher einen geringen Konvergenzwinkel, ähnlich wie bei der Betrachtung entsprechend entfernter Objekte ohne technische Einrichtungen. Der durch das Stereomikroskop vorgegebene Konvergenzwinkel ist jedoch größer, so dass das betrachtete Objekt unnatürlich erscheint.
Insbesondere in Videomikroskopiesystemen ist daher eine einstellbare Stereobasis wünschenswert. Eine einstellbare Stereobasis kann jedoch beispielsweise auch zur Betrachtung tief gelegener Objekte, beispielsweise in engen Röhren, und/oder zur Betonung des stereoskopischen Effekts (in Umkehr zu den zuvor erläuterten Grundsätzen) bei der Betrachtung von Oberflächen wünschenswert sein.
Aus der DE 1 852 999 U ist eine Prismenanordnung zur Einstellung der Stereobasis von Stereomikroskopen bekannt. Die Prismenanordnung weist zwei Prismenpaare auf. Ausgehend von einer Initialposition, bei der die Stereobasis durch die entsprechenden stereoskopischen Kanäle des Stereomikroskops vorgegeben ist, kann die Stereobasis durch die axiale Verstellung eines der Prismenpaare verkleinert werden. Durch die Lichtbrechung an zwei geneigten Prismenflächen in jedem stereoskopischen Kanal werden hier jedoch zusätzliche Aberrationen durch Dispersionseffekte erzeugt, welche sich insbesondere bei hoch korrigierten Objektiven nachteilig auf die Bildqualität auswirken. Die minimal erreichbare Stereobasis entspricht ferner in der dort gezeigten Anordnung dem Durchmesser eines Stereokanals. Für die Wiedergabe mittels der erläuterten Videomikroskopiesysteme wird jedoch eine Stereobasis von wenigen Millimetern benötigt.
Die EP 0 072 652 B1 offenbart ein Mikroskopsystem, bei dem die Stereobasis von einer neutralen Position sowohl in eine positive als auch in eine negative Richtung verändert werden kann. Die dort vorgeschlagene Anordnung erhöht jedoch die Baulänge eines entsprechenden Stereomikroskops beträchtlich. Dies ist in Bezug auf Vignettierungseffekte vor allem bei niedrigen Vergrößerungen kritisch. Durch die hohe Anzahl optischer Flächen treten hohe Kontrastverluste und starke Aberrationseffekte auf. Die Anordnung kann aufgrund fehlender mechanischer und optischer Schnittstellen nicht an herkömmliche Stereomikroskope adaptiert werden.
Vor diesem Hintergrund besteht damit weiterhin der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten zur variablen Einstellung der Stereobasis eines Stereomikroskops.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt vor diesem Hintergrund, wie in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben, ein Stereomikroskop mit einem Stereovariator zur Einstellung eines eine Stereobasis des Stereomikroskops definierenden Abstands zweier optischer Achsen, einen entsprechenden Stereovariator und seine Verwendung in einem Stereomikroskop, ein Videomikroskopiesystem und ein Verfahren zur Darstellung stereoskopischer Bilder vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Einrichtung, die die Einstellung einer Stereobasis des Stereomikroskops durch ein Einstellen seiner optischen Achsen ermöglicht. Diese Einrichtung wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kurz als „Stereovariator“ bezeichnet. Die Stereobasis definiert sich über den Abstand dieser optischen Achsen, die durch ein gemeinsames Hauptobjektiv verlaufen und jeweils einem stereoskopischen Kanal des Stereomikroskops zugeordnet sind. Ist daher nachfolgend verkürzt davon die Rede, dass „eine Stereobasis“ eingestellt wird, bedeutet dies, dass der Abstand der die Stereobasis definierenden optischen Achsen eingestellt wird. Die nachfolgenden Erläuterungen nehmen teilweise auf einen Stereovariator und teilweise auf ein Stereomikroskop mit einem Stereovariator Bezug. Die Erläuterungen betreffen jedoch beide Einrichtungen in gleicher Weise.
Der Begriff „Stereobasis“ bezeichnet im Rahmen dieser Anmeldung also den Abstand zwischen zwei optischen Achsen, der zusammen mit einer objektseitigen Brennweite des Hauptobjektivs des Stereomikroskops den Winkel definiert, unter dem ein Objektpunkt eines Objekts durch das Hauptobjektiv betrachtet wird. In herkömmlichen Stereomikroskopen, wie sie beispielsweise unten unter Bezugnahme auf die 1 erläutert sind, entspricht die Stereobasis dem dort festen Abstand B der optischen Achsen der beiden stereoskopischen Kanäle, die den Augen eines Betrachters zugeordnet sind. Wird ein erfindungsgemäßer Stereovariator verwendet, wird diese Stereobasis eingestellt, also verändert. Der Abstand der optischen Achsen der beiden Stereokanäle selbst bleibt gleich. Nur objektivseitig des Stereovariators verlaufen diese optischen Achsen in einem abweichenden Abstand zueinander, jedoch parallel, durch das Hauptobjektiv.
Ist im Rahmen dieser Anmeldung von einer „Axialrichtung“ die Rede, handelt es sich hierbei um die Richtung, die mittig durch das optische Zentrum des Hauptobjektivs verläuft. Die Axialrichtung wird also durch das Hauptobjektiv definiert. In bekannten Stereomikroskopen liegen die stereoskopischen Kanäle mit ihren optischen Achsen parallel zu dieser Axialrichtung. Die Axialrichtung liegt auch parallel zu der Richtung, in der ein paralleles Strahlenbündel in einem bekannten Stereomikroskop mit afokalem Strahlengang bildseitig des Hauptobjektivs verläuft. In herkömmlichen Stereomikroskopen entspricht diese Axialrichtung der Vertikalen. Die Angaben „objektseitig“ und „bildseitig“ geben eine Richtung oder Lage in dem Stereomikroskop an. Ein betrachtetes Objekt liegt immer objektseitig vor dem Hauptobjektiv, die übrigen Elemente im Strahlengang des Stereomikroskops und ggf. ein Betrachter befinden sich bildseitig.
Die „stereoskopischen Kanäle“ des Stereomikroskops umfassen beispielsweise jeweils ein Fernrohr- und/oder Zoomsystem und ggf. Teile einer Einblickeinheit. Sie sind zumindest zweifach vorhanden und jeweils einem Auge eines Betrachters, oder, bei digitaloptischer Auswertung, entsprechenden Erfassungsmitteln zugeordnet. Die zwei stereoskopischen Kanäle, die den Augen des Betrachters oder den Erfassungsmitteln zugeordnet sind, sind herkömmlicherweise gleich aufgebaut, können jedoch auch optische Elemente mit unterschiedlichen wirksamen Durchmessern aufweisen, wie beispielsweise in der DE 10 2005 040 473 B4 beschrieben. Bei Stereomikroskopen mit Mitbetrachtermöglichkeit können auch mehrere Sätze derartiger stereoskopischer Kanäle vorgesehen sein.
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Stereomikroskop weist einen ersten stereoskopischen Kanal mit einer ersten optischen Achse, einen zweiten stereoskopischen Kanal mit einer zweiten optischen Achse und ein eine Axialrichtung definierendes gemeinsames Hauptobjektiv auf, welches objektseitig des ersten und des zweiten stereoskopischen Kanals angeordnet ist. Die erste und die zweite optische Achse verlaufen zumindest in einem objektseitigen Abschnitt des ersten und des zweiten stereoskopischen Kanals parallel zu der Axialrichtung in einem ersten Abstand zueinander. Zwischen dem ersten und dem zweiten stereoskopischen Kanal und dem Hauptobjektiv ist ein Stereovariator vorgesehen, mit welchem die erste und die zweite optische Achse parallel zu der Axialrichtung auf einen zweiten, eine Stereobasis des Stereomikroskops definierenden Abstand einstellbar sind. Der Stereovariator zeichnet sich dadurch aus, dass er objektseitig vor dem ersten stereoskopischen Kanal eine erste reflektierende teildurchlässige Fläche und objektseitig vor dem zweiten stereoskopischen Kanal eine zweite reflektierende Fläche aufweist, wobei die erste reflektierende teildurchlässige Fläche und die zweite reflektierende Fläche parallel zueinander und schräg zu der Axialrichtung angeordnet sind. Auf diese Weise durchsetzt ein Teilstrahl eines ersten Lichtbündels entlang der ersten optischen Achse die erste reflektierende teildurchlässige Fläche und durchstrahlt den Stereovariator ablenkungsfrei. Ein Teilstrahl eines zweiten Lichtbündels entlang der zweiten optischen Achse wird hingegen an der ersten reflektierenden teildurchlässigen Fläche und an der zweiten reflektierenden Fläche abgelenkt und tritt aus dem Stereovariator mit einem parallelen Versatz aus.
Der Stereovariator bewirkt durch die Einstellung der ersten und der zweiten optischen Achse auf den zweiten Abstand eine Veränderung der Stereobasis. Die optischen Achsen verlaufen vor und nach der Einstellung ihres Abstands durch den Stereovariator jeweils parallel zueinander und gleichzeitig parallel zu der erläuterten Axialrichtung. Die Abstände unterscheiden sich jedoch, wobei der Abstand der optischen Achsen bildseitig des Stereovariators als „erster Abstand“ und der Abstand objektseitig des Stereovariators als „zweiter Abstand“ bezeichnet wird. Unter „zweiter Abstand“ wird dabei explizit auch ein Abstand von Null verstanden.
Eine Anordnung „objektseitig vor“ einem entsprechenden stereoskopischen Kanal bedeutet, dass das entsprechende Element, hier die erste reflektierende teildurchlässige Fläche bzw. die zweite reflektierende Fläche, jeweils in einer gedachten Verlängerung des stereoskopischen Kanals in Richtung des Hauptobjektivs liegt.
Vorteilhafterweise liegt dabei die erste reflektierende teildurchlässige Fläche objektseitig vor dem ersten, nicht jedoch dem zweiten stereoskopischen Kanal und die zweite reflektierende Fläche objektseitig vor dem zweiten, nicht jedoch dem ersten stereoskopischen Kanal. Eine derartige Anordnung umfasst also, dass sich objektseitig vor dem ersten stereoskopischen Kanal nur genau eine, nämlich die erste reflektierende teildurchlässige Fläche des Stereovariators befindet. Dies bewirkt, dass entsprechend eingestrahltes Licht, das diese erste reflektierende teildurchlässige Fläche durchsetzt, zwischen dem Hauptobjektiv und dem ersten stereoskopischen Kanal unabgelenkt bleibt. Das nicht die erste reflektierende teildurchlässige Fläche durchsetzende Licht wird hingegen an dieser abgelenkt.
Betrachtet man ein solches Stereomikroskop von einer Objektseite aus, und strahlt von dieser Objektseite aus Licht in den Stereovariator ein, so trifft ein Teilstrahl des Lichts, der an der ersten reflektierenden teildurchlässigen Fläche abgelenkt wird auf die zweite reflektierende Fläche. Die zweite reflektierende Fläche lenkt dieses Licht erneut um. Aufgrund der parallelen Anordnung der beiden reflektierenden Flächen zueinander entspricht die Richtung des Lichts nach der zweiten Ablenkung wieder der Einstrahlrichtung, d.h. der Axialrichtung.
Beispielsweise im Vergleich zu der in der eingangs erwähnten EP 0 072 652 B1 offenbarten Anordnung beträgt die Bauhöhe des im Rahmen dieser Anmeldung vorgeschlagenen Stereovariators nur etwa die Hälfte. Dies bietet Vorteile in Bezug auf Vignettierungseffekte, vor allem bei niedrigen Vergrößerungen. Bei derartigen niedrigen Vergrößerungen passieren die Randstrahlen eines Objekts das Hauptobjektiv des Stereomikroskops an dessen äußerem Rand, um so ein möglichst großes Objektfeld zu erzeugen. Je größer jedoch der Abstand zwischen dem Hauptobjektiv und dem bildseitigen Zoomsystem bzw. Tubus wird, umso stärker werden diese Randstrahlen beschnitten, was zu unerwünschter Vignettierung führt.
Gegenüber dem Stand der Technik kommt die vorliegende Erfindung auch mit einer sehr viel geringeren Anzahl optischer Flächen aus, die zudem aufgrund ihrer vorteilhaften Ausbildung als reflektierende Flächen keine negativen Lichtbrechungseffekte (Aberrationen) verursachen. Die Anordnung parallel zueinander und jeweils geneigt gegenüber der Axialrichtung ermöglicht einen parallelen Versatz, wie zuvor erläutert, mit besonders geringem Aufwand. Durch die geringere Anzahl optischer Flächen im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen weisen die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtungen auch geringere Kontrastverluste auf. Aufgrund der vollständig parallel verlaufenden Strahlengänge und der vorhandenen mechanischen und optischen Schnittstellen kann der erfindungsgemäße Stereovariator im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen an Teleskopsysteme bzw. Tuben gängiger Stereomikroskope adaptiert werden. Aufwendige Linsensysteme sind nicht erforderlich.
Besonders vorteilhaft ist ein Stereomikroskop mit einem Stereovariator, bei dem die erste reflektierende teildurchlässige Fläche und/oder die zweite reflektierende Fläche in der Axialrichtung verschoben werden können, so dass ein Betrag des parallelen Versatzes des Teilstrahls des zweiten Lichtbündels eingestellt werden kann. Geht man von einem zunächst parallel zu der Axialrichtung verlaufenden parallelen Lichtbündel entlang der zweiten optischen Achse aus, und wird dieses an der ersten reflektierenden teildurchlässigen Fläche und an der zweiten reflektierenden Fläche jeweils um 90° abgelenkt, ergibt sich der parallele Versatz aus der Strecke, die das Licht zwischen den beiden reflektierenden Flächen zurücklegt.
Wie bereits teilweise erläutert, sind die erste reflektierende teildurchlässige Fläche und/oder die zweite reflektierende Fläche vorteilhafterweise zumindest teilweise als Spiegelfläche und/oder als Prismenfläche ausgebildet. Teildurchlässige Elemente sind in der Fachwelt grundsätzlich bekannt. Beispielsweise können im Rahmen der vorliegenden Erfindung teildurchlässige Spiegel verwendet werden. Ferner können teildurchlässige Prismen zum Einsatz kommen. Prismen erlauben aufgrund ihrer definierten Flächen und der festen Winkel dieser zueinander einen besonders präzise und damit zuverlässige Montage und Justierung.
Die erste reflektierende teildurchlässige Fläche und die zweite reflektierende Fläche können, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten 2 bis 5 näher erläutert, jeweils als Teil eines Prismas oder einer Prismenanordnung ausgebildet sein. Der Stereovariator umfasst dabei beispielsweise einen Strahlteiler aus zwei Prismen und ein Umlenkelement. Der Strahlteiler bildet die erste reflektierende teildurchlässige Fläche, das Umlenkelement die zweite reflektierende Fläche. Vorteilhafterweise sind nur diese optisch wirksamen Elemente vorgesehen, jedoch keine zusätzlichen Linsen, Prismen oder dergleichen. Licht, das von dem Strahlteiler durchgelassen wird, durchstrahlt den Stereovariator ablenkungsfrei, also ohne irgendeine laterale Ablenkung. Licht, das an dem Strahlteiler reflektiert wird, trifft auch auf das Umlenkelement, so dass es beim Durchlaufen des Stereovariators einen parallelen Versatz erfährt. Dieser parallele Versatz entspricht dem Betrag, um den die Stereobasis verändert wird. Ein Strahlteiler aus zwei Prismen (auch als Strahlteilerwürfel bezeichnet) definiert dabei die minimale Bauhöhe des Stereovariators. Die zweite reflektierende Fläche ist gegenüber diesem Prismenblock in der Regel auf einem kleineren Prisma angeordnet. Das Verschieben der zweiten reflektierenden Fläche – entlang der Axialrichtung – ist daher besonders vorteilhaft, weil kein zusätzlicher Bauraum erforderlich ist. Es kann jedoch auch eine Verschiebung der ersten reflektierenden Fläche oder beider vorteilhaft sein.
Ist hier davon die Rede, dass ein Betrag des parallelen Versatzes des Teilstrahls des zweiten Lichtbündels „eingestellt“ werden kann, umfasst dies sowohl eine werksseitige Einstellung als auch eine benutzerseitige Einstellung. Beispielsweise können werksseitig fest eingestellte Stereovariatoren vorgesehen sein, bei denen der Betrag des parallelen Versatzes des Teilstrahls des zweiten Lichtbündels fest auf ein zugeordnetes Hauptobjektiv mit einer bestimmten Objektivvergrößerung eingestellt ist. Derartige Hauptobjektive mit ihren zugehörigen Stereovariatoren können auch als Sets oder fest miteinander verbunden Komponenten bereitgestellt sein, was den Justier- und/oder Montageaufwand beim Benutzer auf ein Minimum reduziert. Besonders vorteilhaft können jedoch auch benutzerseitig einstellbare Stereovariatoren sein, weil diese eine maximale Flexibilität bieten. In entsprechenden Stereovariatoren kann auch ein Element, z.B. ein Strahlteiler mit der ersten reflektierenden teildurchlässigen Fläche, werksseitig im Sinne einer Vorjustierung eingestellt werden und ein anderes Element, beispielsweise ein Umlenkelement mit der zweiten reflektierenden Fläche, benutzerseitig einstellbar sein.
Ein derartiges Stereomikroskop weist vorteilhafterweise manuelle und/oder elektromechanische Stellmittel auf, mit denen die erste reflektierende teildurchlässige Fläche und/oder die zweite reflektierende Fläche in der Axialrichtung verschiebbar sind. Elektromechanische Stellmittel können beispielsweise über einen Signaleingang verfügen, über den sie ein Signal einer Steuereinheit eines Videomikroskopiesystems empfangen können. Hierdurch kann die Stereobasis in Abhängigkeit von einem Betrachterabstand automatisch eingestellt werden.
Das Stereomikroskop, bei dem ein entsprechender Stereovariator eingesetzt wird, ist vorteilhafterweise als Stereomikroskop vom Teleskoptyp ausgebildet. Es weist damit ein Hauptobjektiv und zwei dem Hauptobjektiv nachgeordnete (also bildseitig des Hauptobjektivs angeordnete) stereoskopische Kanäle auf. Der Stereovariator ist zwischen dem Hauptobjektiv und den zwei stereoskopischen Kanälen angeordnet, beispielsweise eingeschraubt oder eingeschoben, wie auch nachfolgend noch erläutert.
In einem derartigen Stereomikroskop weisen die zwei stereoskopischen Kanäle jeweils optische Achsen auf, die Beobachtungsstrahlengänge definieren. Der Stereovariator erlaubt dabei die zweifache Umlenkung einer dieser optischen Achsen. Die Stereobasis, die zuvor durch den Abstand der optischen Achsen definiert war, wird durch den Einsatz des Stereovariators verändert.
In dem genannten Bereich, in dem der Stereovariator angebracht wird, also zwischen dem Hauptobjektiv und den beiden stereoskopischen Kanälen, verläuft in bekannten Stereomikroskopen vom Teleskoptyp der Strahlengang afokal, d.h. es liegen parallele Lichtbündel vor. Der Stereovariator beeinflusst die Parallelität dieser Lichtbündel nicht, da er vorzugsweise nur plane optische Flächen aufweist.
Ein besonders vorteilhaftes Stereomikroskop weist einen Stereovariator auf, bei dem die optischen Achsen von einem ersten Abstand von 15 bis 30 mm, insbesondere 24 mm, auf einen zweiten Abstand von 0 bis 12 mm einstellbar sind.
Gegenüber dem Stand der Technik ermöglicht der erfindungsgemäß vorgeschlagene Stereovariator eine Reduzierung der Stereobasis auf Null. Dies ist vorteilhaft in Fällen, in denen kein stereoskopischer Effekt gewünscht ist. Der parallele Versatz im Stereoveriator entspricht bei dieser Einstellung dem Abstand der stereoskopischen Kanäle zueinander. Der Stereovariator ermöglicht eine Reduzierung der Stereobasis, ausgehend von einem branchenüblichen Abstand der optischen Achsen von beispielsweise 24mm, auf einen Wert von beispielsweise 0 bis 12 mm. Die Erfindung ist damit für Videomikroskopiesysteme geeignet, in denen eine Betrachtung stereoskopischer Bilder auf einem Monitor oder einer Projektionsfläche aus einer großen Distanz erfolgt. Weiters eignet sich die Erfindung zur Kompensation des Brennweiteneinflusses von Hauptobjektiven.
Ein solcher Stereovariator kann eine Überkreuzung der ersten und der zweiten optischen Achse bewirken, so dass diese einen Schnittpunkt innerhalb des Stereovariators aufweisen. Dies ist zumindest dann der Fall, wenn der zweite Abstand nicht Null beträgt. Durch diese Überkreuzung wird ein negativer Stereoeffekt induziert. Ein entsprechendes Stereomikroskop eignet sich damit nurmehr bedingt zur visuellen Betrachtung. In einem Videomikroskopiesystem, wie es erfindungsgemäß ebenfalls vorgesehen ist, kann ein negativer stereoskopischer Effekt jedoch digital ausgeglichen werden.
In dem erläuterten Stereomikroskop ist der Stereovariator, wie bereits erwähnt, vorteilhafterweise reversibel zwischen dem ersten und dem zweiten stereoskopischen Kanal und dem Hauptobjektiv einfügbar. Ein entsprechendes Stereomikroskop kann daher je nach Bedarf mit oder ohne Stereovariator betrieben werden. An entsprechenden Stereomikroskopen können beispielsweise auch Einschubvorrichtungen für Stereovariatoren vorgesehen oder anbringbar sein, die eine Einbringung unterschiedlicher Stereovariatoren, z.B. Stereovariatoren mit festem parallelen Versatz und/oder unterschiedlichen Einstellbereichen, ermöglichen. Derartige Einschubvorrichtungen können auch zur Befestigung des Hauptobjektivs eingerichtet sein und/oder eine Verschiebung des Hauptobjektivs senkrecht zu der Axialrichtung zulassen. Wie erwähnt, kann es zweckmäßig sein, fest eingestellte Stereovariatoren als Sets mit Hauptobjektiven bereitzustellen. In diesem Fall kann beispielsweise ein bestimmtes Hauptobjektiv an einer Einschubvorrichtung angebracht und der zugehörige Stereovariator in diese eingeschoben werden.
Ein entsprechend reversibel einfügbarer Stereovariator kann auch beispielsweise zwei Kupplungselemente aufweisen, und dafür eingerichtet sein, mittels dieser Kupplungselemente einerseits mit dem Hauptobjektiv und andererseits an einer objektseitigen Schnittstelle des Stereomikroskops verbunden zu werden. Letztere weisen entsprechend passende Gegenstücke zu den Kupplungselementen auf. Die Kupplungselemente können beispielsweise als Teile von Verschraubungen, Schwalbenschwanz- und/oder Bajonettverbindungen ausgebildet sein. Sie können ferner geeignete Justier- bzw. Zentriereinrichtungen aufweisen. Hierdurch kann ein entsprechender Stereovariator mit allen gängigen Stereomikroskopen gekoppelt werden, die betrachterseitig des Hauptobjektivs einen afokalen Strahlengang aufweisen. Hierbei können auch entsprechende Adapter verwendet werden.
Besondere Vorteile bietet in Verbindung mit einem entsprechenden Stereovariator ein Stereomikroskop, bei dem die stereoskopischen Kanäle unterschiedlich zueinander aufgebaut sind, wie beispielsweise in der DE 10 2005 040 473 B4 beschrieben. Ein derartiges Stereomikroskop umfasst zwei optische Kanäle, die jeweils ein Fernrohrsystem aufweisen. Mindestens ein optisches Element eines der Fernrohrsysteme besitzt im Vergleich zu mindestens einem entsprechenden optischen Element des anderen Fernrohrsystems einen größeren optisch wirksamen Durchmesser. Dies führt zu einem größeren Durchmesser der Eintrittspupille. Bei einem solchen Element kann es sich um eine oder mehrere Linsen oder Blenden handeln.
Durch die unsymmetrischen Durchmesser der Eintrittspupillen erhält der Benutzer zwei Teilbilder mit unterschiedlicher Helligkeit, unterschiedlicher Auflösung und unterschiedlicher Schärfentiefe. Es hat sich gezeigt, dass ein Helligkeitsunterschied von bis zu 50% und die Unterschiede in der Detailerkennung die Fusion der beiden Teilbilder zu einem dreidimensionalen Bild nicht beeinträchtigen. Im Gegenteil wird das Objekt dreidimensional mit der aus der höheren numerischen Apertur folgenden verbesserten Auflösung und der aus der geringeren Apertur folgenden größeren Schärfentiefe wahrgenommen.
Die Nutzung dieses physiologischen Phänomens eines asymmetrischen Stereomikroskops bietet besondere Vorteile mit dem Stereovariator, weil hierbei die mit größerer Schärfentiefe bei gleichzeitig verbesserter Auflösung erhaltenen Bilder zusätzlich auch noch mit einem vom Gehirn „erwarteten“ Konvergenzwinkel betrachtet werden können. Dies führt zu einer besonders realistischen, hochaufgelösten, und dem natürliche Tiefenverhältnis exakt entsprechenden Bildern. Dies ermöglicht auch beispielsweise eine besonders einfache und damit sichere Manipulation der betrachteten Objekte.
Der erfindungsgemäße Stereovariator wurde bereits zuvor bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen des Stereomikroskops erläutert. Ein derartiger Stereovariator, der zur Verwendung in einem solchen Stereomikroskop eingerichtet ist, weist eine erste reflektierende teildurchlässige Fläche und eine zweite reflektierende Fläche auf. Die erste reflektierende teildurchlässige Fläche und die zweite reflektierende Fläche sind parallel zueinander und schräg zu einer Axialrichtung angeordnet. Die erste reflektierende teildurchlässige Fläche kann objektseitig vor einem ersten stereoskopischen Kanal des Stereomikroskops und die zweite reflektierende Fläche objektseitig vor einem zweiten stereoskopischen Kanal des Stereomikroskops angebracht werden. Hierdurch durchstrahlt ein Teilstrahl eines ersten entlang einer ersten optischen Achse durch den ersten stereoskopischen Kanal verlaufenden Lichtbündels die erste reflektierende teildurchlässige Fläche und damit den gesamten Stereovariator ablenkungsfrei. Ein Teilstrahl eines zweiten entlang einer zweiten optischen Achse durch den zweiten stereoskopischen Kanal verlaufenden Lichtbündels wird an der ersten und der zweiten reflektierenden Fläche abgelenkt und tritt aus dem Stereovariator unter einem parallelen Versatz aus.
Ein erfindungsgemäß vorgesehenes Videomikroskopiesystem weist ein Stereomikroskop wie zuvor erläutert auf. Es verfügt ferner über digitale Bilderfassungsmittel, mittels derer ein Bild eines durch das Stereomikroskop betrachteten Objekts erfasst werden kann. Ferner sind geeignete Anzeigemittel vorgesehen, mittels derer das durch das Stereomikroskop erfasste Bild zumindest zeitweise stereoskopisch dargestellt werden kann.
Als digitale Bilderfassungsmittel eignen sich sämtliche bekannten Einrichtungen, beispielsweise CCD, die in beiden Kanälen des Stereomikroskops bzw. an entsprechenden Anschlüssen angebracht werden können. Für die Stereomikroskopie speziell eingerichtete digitale Kameras sind ebenfalls bekannt. Als Anzeigemittel eignen sich insbesondere 3D-Monitore oder Projektionssysteme (Beamer). Verwendbare 3D-Monitore verfügen beispielsweise über zwei Bildeingänge, so dass die Signale der Bilderfassungsmittel der beiden stereoskopischen Kanäle direkt in einen entsprechenden Monitor eingespeist werden können. Hierbei kann auch eine Kanalumkehr vorgenommen werden so dass ein gegebenenfalls vorhandener negativer stereoskopischer Effekt ausgeglichen werden kann. Derartige Monitore bzw. ihnen zugeordnete Ansteuereinheiten können auch externe Komponenten aufweisen, welche die Signale der beiden Bilderfassungsmittel überlagern können. Ein entsprechend überlagertes Signal wird dann an den Monitor übertragen. Die Betrachtung entsprechender Bilder erfolgt z.B. durch Polarisations- oder Shutterbrillen in bekannter Weise. Bei der Verwendung von Projektionssystemen als Anzeigemitteln ist zumindest die Verwendung zweier Projektoren erforderlich. Die Darstellung und Betrachtung entsprechender Bilder kann in jeder bekannten Weise, z.B. mittels Shuttertechnik, Polarisationsfiltertechnik, farbanaglyphischer Darstellung und/oder Interferenzfiltertechnik erfolgen.
Wie erläutert, definiert ein Abstand eines Betrachters zur Leinwand bzw. zum Monitor zusammen mit seinem Pupillenabstand den Betrachtungskonvergenzwinkel. Stereoskopische Bilder, die mit einem „erwarteten“ Konvergenzwinkel aufgenommen werden, erscheinen realistisch, da sie das natürliche Tiefenverhältnis exakt wiedergeben. Üblicherweise weicht der Konvergenzwinkel bei der Stereomikroskopie jedoch von den natürlichen Verhältnissen ab, was zu einem stark überhöhten Tiefeneindruck beim Betrachter führt. Dies kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Stereovariators ausgeglichen werden, so dass der Konvergenzwinkel des Stereomikroskops exakt an den Betrachtungskonvergenzwinkel angepasst und damit ein optimaler 3D-Effekt erzeugt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist daher ein Videomikroskopiesystem, das dafür eingerichtet ist, eine Stereobasis des wenigstens einen Stereomikroskops auf Grundlage wenigstens eines Betrachtungsabstands, aus dem das zumindest zeitweise stereoskopisch dargestellte Bild von wenigstens einem Betrachter betrachtet wird, durch Einstellen des Stereovariators anzupassen. Dies erfolgt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vollautomatisch, insbesondere durch entsprechende Ansteuerung der elektromechanischen Stellmittel des Stereovariators.
Ein besonders bevorzugtes, vollautomatisches Videomikroskopiesystem weist dabei Erfassungsmittel auf, um den wenigstens einen Betrachtungsabstand zu erfassen. Derartige Erfassungsmittel können beispielsweise eine Distanz zwischen einer Shutterbrille und einer Projektionsfläche ermitteln.
Erfolgt die Darstellung beispielsweise in einem Saal, in welchem sich mehrere Betrachter befinden, kann auch vorgesehen sein, die Stereobasis des wenigstens einen Stereomikroskops auf Grundlage eines Wertes, der aus wenigstens zwei Betrachtungsabständen ermittelt wird, anzupassen. Beispielsweise kann aus entsprechend ermittelten Betrachtungsabständen ein Mittelwert, gegebenenfalls mit entsprechender Gewichtung, gebildet werden. Damit kann eine Stereobasis ermittelt werden, bei der für eine Mehrzahl der Betrachter und/oder für bestimmte Betrachter ein natürlicher Stereoeindruck entsteht.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst die Erfassung und Darstellung mikroskopischer Bilder mit einem Videomikroskopiesystem wie zuvor erläutert. Auf die jeweils genannten Merkmale und Vorteil wird daher ausdrücklich verwiesen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung gegenüber dem Stand der Technik veranschaulicht und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Stereomikroskops vom Teleskoptyp, das mit einem Stereovariator ausgestattet werden kann.
2 zeigt schematisch den Aufbau eines Stereomikroskops vom Teleskoptyp mit einem Stereovariator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt schematisch den Aufbau eines Stereomikroskops vom Teleskoptyp mit einem Stereovariator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt schematisch den Aufbau eines Stereovariators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in drei Einstellungen.
5 zeigt teilrealistisch den Aufbau eines Stereovariators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt teilrealistisch den Aufbau eines Stereomikroskops gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt schematisch ein Videomikroskopiesystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen. Auf eine wiederholte Erläuterung wird verzichtet.
1 zeigt eine Prinzipskizze des optischen Aufbaus eines Stereomikroskops vom Teleskoptyp, das mit einem Stereovariator ausgestattet werden kann.
Das Stereomikroskop weist ein Hauptobjektiv 2 auf. In einer Objektebene 21 des Hauptobjektivs 2, die dessen vorderer Brennebene entspricht, ist ein zu betrachtendes Objekt O angeordnet. Ein Punkt F des Objekts O liegt in einer Axialrichtung A vor dem Hauptobjektiv 2 des Stereomikroskops. Die Axialrichtung A wird durch das Hauptobjektiv 2 definiert. Ein Benutzer kann mit seinen Augen 52 ein stereoskopisches Bild des Objekts O erfassen. Die Augen 52 befinden sich bildseitig, das Objekt O objektseitig des Hauptobjektivs 2.
Im Folgenden wird der Aufbau des Stereomikroskops ausgehend von dem Hauptobjektiv 2 in Richtung auf den Benutzer zu beschrieben. Das in dieser und in den nachfolgenden 2 und 3 dargestellte Stereomikroskop ist symmetrisch aufgebaut, was bedeutet, dass das Stereomikroskop zwei Stereokanäle L, R aufweist, die einander baulich entsprechen. Daher sind in der 1 nur die Elemente des linken Stereokanals L mit Bezugszeichen versehen und nachfolgend erläutert. Der rechte Stereokanal R entspricht dem zuvor erläuterten „ersten Stereokanal“, der linke Stereokanal L dem zuvor erläuterten „zweiten Stereokanal“ Die Erfindung ist jedoch auch mit besonderem Vorteil bei Stereomikroskopen einsetzbar, in denen ein oder mehrere Elemente der beiden Stereokanäle L, R unterschiedlich zueinander ausgebildet sind, wie in der DE 10 2005 040 473 B4 beschrieben.
Dem Hauptobjektiv 2 ist in beiden Stereokanälen L, R jeweils ein Fernrohrsystem 3 nachgeschaltet. Die Fernrohrsysteme 3 der beiden Stereokanäle L, R sind symmetrisch bildseitig des Hauptobjektivs angeordnet. Die Fernrohrsysteme 3 sind als afokale Zoomsysteme ausgebildet, wie z.B. in der US 6 816 321 A beschrieben.
In den Fernrohrsystemen 3 sind Blenden 31 angeordnet, die beispielsweise als Irisblenden ausgebildet sein können. Die Durchmesser der Blenden 31 sind einstellbar. Die Blenden 31 begrenzen die Durchmesser 32 der Eintrittspupillen der Fernrohrsysteme 3, die je nach Zoomstellung und Blendenwahl veränderbar sind.
Die Fernrohrsysteme 3 definierten jeweils eine optische Achse 33. Die optischen Achsen 33 verlaufen in einem Abstand B durch das Hauptobjektiv 2 Der Abstand B der optischen Achsen 33 definiert hier die Stereobasis.
Auf den optischen Achsen 33 sind den Fernrohrsystemen 3 jeweils Einblickeinheiten 4 nachgeordnet, die ebenfalls jeweils symmetrisch zum Hauptobjektiv A angeordnet sind. Die Fernrohrsysteme 3 und die Einblickeinheiten 4 können zum Teil in einem Gehäuse angeordnet sein, an das das Hauptobjektiv 2 angeschraubt und/oder mittels einer Schwalbenschwanzaufnahme angebracht sein kann.
Die Einblickeinheiten 4 umfassen Tubuslinsen 41, welche Zwischenbilder 42 erzeugen. Den Tubuslinsen 41 nachgeordnet sind Umkehrsysteme 43 zur Bildaufrichtung. Betrachterseitig der Einblickeinheiten 4 schließen sich jeweils Okulare 51 an. Die Tubuslinsen 41 sind dazu ausgebildet, jeweils parallele Lichtbündel auf einen Punkt 42a in der Ebene der Zwischenbilder 42 zu fokussieren. Der Punkt 42a befindet sich im vorderen Brennpunkt der Okulare 51 und wird durch diese nach Unendlich abgebildet, so dass er mit den Augen 52 beobachtet werden kann.
Das dargestellte Stereomikroskop kann auch für eine digitaloptische Erfassung des Objekts O ausgebildet sein, in welchem Fall zumindest ein Teil der Elemente der Einblickeinheiten 4 in einer entsprechenden digitaloptischen Erfassungseinheit angeordnet ist oder entfallen kann. Die Umkehrsysteme 43 zur Bildaufrichtung sind beispielsweise bei der digitaloptischen Erfassung nicht erforderlich.
Optional können in bekannter Weise weitere Baugruppen in den Strahlengang eingebracht sein, beispielsweise Vorsatzlinsen, Filter, Polarisatoren, Auflichtbeleuchtungseinheiten oder Strahlteilersysteme zur Lichtein- und -auskopplung.
Die optische Abbildung des Stereomikroskops wird durch eine schematische Darstellung der Randstrahlen 61 eines Strahlengangs, der im dargestellten Beispiel von dem Punkt F auf dem Objekt O ausgeht, veranschaulicht. Die Randstrahlen 61 des Strahlengangs kennzeichnen die beiden von dem Stereomikroskop genutzten Lichtkegel 62. Die Begrenzung der Lichtkegel 62 erfolgt durch die Durchmesser 32 der Eintrittspupillen, die durch die Irisblenden 31 festgelegt werden können.
Da das Objekt O in der Objektebene 21 angeordnet ist, verlaufen die Randstrahlen 61 in dem dargestellten Afokalsystem zwischen dem Hauptobjektiv 2 und den Fernrohrsystemen 3 parallel. Auch zwischen den Fernrohrsystemen 3 und den Einblickeinheiten 4 verlaufen die Randstrahlen wieder parallel, weshalb der Raum hinter den Fernrohrsystemen 3 vorteilhaft für optionales Zubehör ist. Die entsprechenden Abschnitte werden im Rahmen dieser Anmeldung vereinfacht als „afokale Abschnitte“ des Strahlengangs bezeichnet.
Man entnimmt der 1 ferner, dass der Winkel w, unter dem jedes Auge 52 den Punkt F auf dem Objekt O wahrnimmt, und damit der Konvergenzwinkel 2 × w, über den Abstand B der optischen Achsen, der hier der Stereobasis entspricht, und den Abstand zwischen dem Hauptobjektiv 2 und der Objektebene 21 definiert ist. Dieser Abstand bemisst sich wiederum nach der Brennweite F_obj des Hauptobjektivs 2, so dass der Winkel w mit zunehmender Vergrößerung des Hauptobjektivs 2 ebenfalls zunimmt, weil dieses näher an das Objekt O herangefahren werden muss. Es gilt w = arctan(B/2 × F_obj). Dies führt, wie erläutert, bei hohen Vergrößerungen zu unnatürlichen Seheindrücken.
2 zeigt eine Prinzipskizze des optischen Aufbaus eines Stereomikroskops vom Teleskoptyp, das mit einem Stereovariator 1 ausgestattet ist. In der 2 sind die Aperturblenden 31 weit geöffnet dargestellt, in der Realität können diese weitgehend zugezogen werden, um die Schärfentiefe des Systems zu erhöhen. Das in 2 dargestellte Stereomikroskop weist eine digitaloptische Erfassungseinheit 6 auf, die zumindest zum Teil an die Stelle der Einblickeinheiten 4 des in der 1 dargestellten Stereomikroskops tritt.
Der Stereovariator 1 weist im dargestellten Beispiel drei als Prismen ausgebildete Umlenkelemente 13, 14, 15 auf, die eine erste reflektierende teildurchlässige Fläche 11 und eine zweite reflektierende Fläche 12 definieren. Die Umlenkelemente 13, 14 bilden zusammen einen Strahlteiler, wodurch die erste reflektierende Fläche 11 teildurchlässig ausgebildet ist. Das Umlenkelement 15 ist an der zweiten reflektierenden Fläche 12 vollverspiegelt.
Die Flächen 11, 12 sind in dem dargestellten Stereomikroskop, bezogen auf die Axialrichtung A und damit die optischen Achsen jedes der Fernrohrsysteme 3, in einem Winkel von 45° angeordnet. Sie liegen in dem genannten Winkel von 45° in den jeweiligen stereoskopischen Kanälen L, R, wobei die erste reflektierende teildurchlässige Fläche 11 in dem rechten (ersten) Stereokanal R, die zweite reflektierende Fläche 12 in dem linken (zweiten) Stereokanal L angeordnet ist. Ohne weiteres kann der Stereovariator 1 jedoch auch seitenverkehrt angeordnet sein.
In der dargestellten Anordnung werden die hier mit 33L bezeichnete optische Achse dieses linken (zweiten) Stereokanals L, bzw. die entsprechenden, an dieser Stelle parallel verlaufenden Strahlenbündel mit ihren Randstrahlen 61L, an der ersten reflektierenden teildurchlässigen Fläche 11 und an der zweiten reflektierenden Fläche 12 jeweils in einem Winkel von 90° abgelenkt. Die Anordnung der Flächen 11, 12 ist hierbei derart, dass ein abgelenkter Lichtstrahl zwischen den beiden Flächen parallel zu einer Ebene durch die optischen Achsen der Fernrohrsysteme 3 verläuft. Durch die Ablenkung der optischen Achse 33L des linken (zweiten) Stereokanals L an der ersten reflektierenden teildurchlässigen Fläche 11 schneidet diese daher die optische Achse 33R des rechten (ersten) Stereokanals R in einem Schnittpunkt X. Hierdurch kommt es zu einem negativen stereoskopischen Effekt.
An der ersten reflektierenden teildurchlässigen Fläche 11 erfolgt eine teilweise Umlenkung und eine teilweise Transmission einfallender Lichtstrahlen. In 2 ist, bezogen auf die optischen Achsen 33L und 33R, dabei jeweils nur eine Alternative gezeigt. Auch das Licht im linken (zweiten) Stereokanal L, entsprechend der optischen Achse 33L bzw. den entsprechenden Randstrahlen 61L, durchsetzt teilweise die erste reflektierende teildurchlässige Fläche 11. In entsprechender Weise wird auch das Licht im rechten (ersten) Stereokanal R, entsprechend der optischen Achse 33R bzw. den entsprechenden Randstrahlen 61R, zum Teil an der ersten reflektierenden teildurchlässigen Fläche 11 reflektiert. Ein Teilstrahl des Lichts im rechten (ersten) Stereokanal R durchstrahlt jedoch den gesamten Stereovariator 1 ablenkungsfrei, ein Teilstrahl des Lichts im linken (zweiten) Stereokanal L wird zweimal reflektiert und erfährt dadurch einen entsprechenden parallelen Versatz. Hierdurch wird bewirkt, dass die optischen Achsen 33R und 33L in einem verringerten Abstand durch das Hauptobjektiv 2 treten. Dies entspricht der Änderung bzw. Einstellung der Stereobasis.
Die optischen Achsen 33L (bzw. der an der ersten reflektierenden teildurchlässigen Fläche 11 umgelenkte Teil eines Strahlenbündels) und 33R (bzw. der die erste reflektierende teildurchlässige Fläche 11 durchsetzende Teil eines Strahlenbündels) der linken und rechten Stereokanäle L und R verlaufen damit sowohl zwischen dem Stereovariator 1 und den Fernrohrsystemen 3 als auch zwischen dem Stereovariator 1 und dem Hauptobjektiv 2 parallel, allerdings in unterschiedlichen Abständen zueinander. Dies ermöglicht eine effektive Verringerung der Stereobasis vom Abstand B auf den Abstand S, wie in den 2 und 3 angegeben.
Zum Verständnis der im Rahmen dieser Anmeldung verwendeten Bezeichnungen sei nochmals betont, dass hier unter dem Begriff „Stereobasis“ der Abstand zwischen optischen Achsen verstanden wird, der mit der objektseitigen („vorderen“) Brennweite des Hauptobjektivs 2 den Winkel w (siehe 1) definiert, unter dem ein Objektpunkt betrachtet wird. Wird erfindungsgemäß ein Stereovariator 1 eingesetzt, entspricht die Stereobasis dem Abstand S der optischen Achsen 33R und 33L objektivseitig des Stereovariators 1. Wird kein Stereovariator 1 eingesetzt, entspricht der Abstand der optischen Achsen B im Rest des Stereomikroskops der Stereobasis.
Der Stereovariator 1 weist ferner Stellmittel 17 auf, die hier stark schematisiert dargestellt sind. Über diese kann, manuell oder motorgetrieben, beispielsweise unter Verwendung eines Schrittmotors, das Umlenkelement 15 in Pfeilrichtung verschoben werden. Dies ermöglicht eine Einstellung der Stereobasis, wie in der nachfolgenden 4 erläutert.
In 3 ist in einer Prinzipskizze der Aufbau des zuvor in 2 dargestellten Stereomikroskops gezeigt, bei dem jedoch das Hauptobjektiv 2 in einer versetzten Position an dem Stereovariator 1 angebracht ist. Wie für den Fachmann bei Betrachtung der 2 ersichtlich, kommt es aufgrund der nicht zentrischen Anordnung des Hauptobjektivs 2 dort zu asymmetrischen Brechungseffekten (Aberrationen) und weiteren Nachteilen, wie unten erläutert. Diesem Nachteil kann durch den Versatz des Hauptobjektivs 2 in der 3 begegnet werden. Die Position des Hauptobjektivs 2 kann auch einstellbar ausgebildet sein, so dass sich immer eine möglichst zentrische Durchstrahlung ergibt.
In den 2 und 3 ist ein Mittelpunkt des Hauptobjektivs 2 mit M bezeichnet. Das Umlenkelement 15 befindet sich in einer mittleren Stellung. Hierdurch wird die optische Achse 33L in den 2 und 3 um einen entsprechenden Betrag parallel nach rechts versetzt. Die optische Achse 33R verläuft in 2 durch den Mittelpunkt des Hauptobjektivs 2, so dass die optische Achse 33L zwischen dem Hauptobjektiv 2 und dem Objekt in einem Winkel von arctan(S × F_obj) verläuft. Entsprechend „blickt“ in 2 der stereoskopische Kanal R senkrecht auf das Objekt O, der stereoskopische Kanal R aus dem genannten Winkel. Dies führt ggf. zu verzerrt oder schief wahrgenommenen Bildern. In der in 3 gezeigten Anordnung beträgt der Winkel, unter dem aus den stereoskopischen Kanälen L und R jeweils der Punkt F auf dem Objekt O wahrgenommen werden kann (entsprechend dem Winkel w in 1) hingegen jeweils arctan(S/2 × F_obj).
4 zeigt in den Teilfiguren A bis C eine Prinzipskizze des Aufbaus eines Stereovariators 1 gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in drei Stellungen. Der Stereovariator 1 entspricht in seinen wesentlichen Teilen jenem, der auch in den 2 und 3 gezeigt ist, so dass diesbezüglich auf die dortigen Ausführungen verwiesen werden kann.
Der Abstand der optischen Achsen, der die durch den Stereovariator 1 eingestellte Stereobasis definiert, ist auch hier mit S angegeben. Wie bereits bezüglich der 2 und 3 erläutert, kann auch hier das zweite Umlenkelement 15 durch geeignete Stellmittel 17 verschoben werden.
In der in Teilfigur A dargestellten Stellung befindet sich das zweite Umlenkelement 15 an einer oberen Einstellgrenze. Wie ersichtlich, wird hierdurch eine Reduzierung der Stereobasis S auf Null ermöglicht. Hierbei wird der linke (zweite) stereoskopische Kanal 33L derart parallel versetzt, dass er mit dem rechten (ersten) stereoskopischen Kanal 33R zusammenfällt. Dies ermöglicht eine Betrachtung entsprechender Objekte ohne stereoskopischen Effekt. In den Teilfiguren B und C sind unterschiedliche objektivseitige Stereobasen S dargestellt, die sich durch die Verstellung des Umlenkelements 15 in eine mittlere bzw. untere Position ergeben.
In 5 ist der Aufbau eines Stereovariators 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung teilrealistisch gezeigt. Der Stereovariator 1 verfügt über die bereits erläuterten Komponenten. Er ist in einem Gehäuse 16 angeordnet, das hier eröffnet dargestellt ist. Der Stereovariator 1 verfügt zur Anbringung zwischen einem Hauptobjektiv 2 und einem Teleskop oder Tubus (z.B. in einem entsprechenden Gehäuse eines Stereomikroskops) über Kupplungen 18 und ggf. Klemmelemente 18a. Die Verstelleinrichtung 17 ist hier als Rändelrad ausgebildet, das über einen Schneckengang (nicht dargestellt) und mittels einer Schubstange 17a eine Prismenfassung 17b verschieben kann. In der Prismenfassung 17b ist das Umlenkelement 15 angebracht. Zur Justierung der Umlenkelemente 13, 14 ist hier eine entsprechende Justiereinrichtung 19 vorgesehen.
6 zeigt ein Stereomikroskop 10, das in bekannter Weise aufgebaut ist und zusätzlich einen Stereovariator 1 aufweist. Der optische Aufbau des Stereomikroskops 10 wurde bereits in den 2 und 3 schematisch gezeigt. Die Fernrohrsysteme 3 sind hier in einem Gehäuse 30 angeordnet, das Einstellknöpfe 34 zur Zoomeinstellung und weitere Verstelleinrichtungen 35 aufweist. Das Hauptobjektiv 2 ist in einer Objektivfassung 20 angeordnet, die an einer Kupplung 18 des Stereovariators 1 angebracht ist. Der Stereovariator 1, von dem von außen ferner sein Gehäuse 16 und die Verstelleinrichtung 17 sichtbar ist, ist damit zwischen dem Gehäuse 30 der Fernrohrsysteme 3 und der Objektivfassung 20 befestigt. Das Stereomikroskop 10 weist eine digitaloptische Erfassungseinheit 6 auf. Das Stereomikroskop 10 weist ferner ein Stativ 70 auf und ist mittels eines Grob- und Feintriebs mit Triebknöpfen 71 an einer vertikalen Schiene 72 des Stativs 70 höhenverstellbar. Das Stativ 70 weist ferner eine Grundplatte 73 auf, die eine Oberfläche 73a definiert, auf der das Objekt O angeordnet werden kann. Die Grundplatte 73 kann weitere Einrichtungen, beispielsweise einen Kreuztisch und/oder eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung, aufweisen.
In 7 ist ein Videomikroskopiesystem 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Das Videomikroskopiesystem 100 umfasst ein Stereomikroskop 10 mit einem Stereovariator 1 wie mehrfach zuvor erläutert. Mit der digitaloptischen Erfassungseinheit 6 des Stereomikroskops 10 ist eine Steuereinheit 101 verbunden, die zur Verarbeitung der erfassten Bilder und zur Ausgabe entsprechender Signale an eine 3D-Projektionseinrichtung 82 eingerichtet ist. Die Steuereinheit 101 kann auch als Teil der digitaloptischen Erfassungseinheit 6 des Stereomikroskops 10 ausgebildet sein.
Die 3D-Projektionseinrichtung 82 umfasst hier zwei Projektoren, die beispielsweise nacheinander im schnellen Wechsel die im linken L und rechten R Stereokanal des Stereomikroskops erfassten Bilder auf eine Leinwand 83 projizieren. Anstelle der 3D-Projektionseinrichtung 82 mit der Leinwand 83 kann jedoch auch ein entsprechender Monitor vorgesehen sein. Die Darstellung muss auch nicht in Form eines schnellen Wechsels, also mittels Shuttertechnik, erfolgen, vielmehr können entsprechende Bilder auch beispielsweise mittels Polarisationsfiltertechnik, farbanaglyphischer Darstellung und/oder Interferenzfiltertechnik dargestellt werden.
Die 7 zeigt ferner zwei Betrachter 9, die das auf der Leinwand 83 dargestellte Bild aus unterschiedlichen Betrachtungsabständen D und D' betrachten. Die Betrachter 9 tragen jeweils geeignete Brillen 102, beispielsweise Shutterbrillen, die eine Betrachtung des auf der Leinwand 83 dargestellten Bildes ermöglichen.
Das Videomikroskopiesystem 100 kann auch eine Vorrichtung 103 aufweisen, die dafür eingerichtet ist, den Betrachtungsabstand D, D' eines oder mehrerer Betrachter 9 zu erfassen. Dies kann beispielsweise mittels eines geeigneten Fernmessverfahrens, beispielsweise auf Grundlage von Laserinterferometrie, erfolgen. Mittels der Steuereinheit 101 können entsprechende Signale an den Stereovariator 1 ausgegeben werden, um diesen, beispielsweise auf Grundlage eines oder mehrerer erfasster Betrachtungsabstände D, D', zu verstellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1852999 U [0007]
EP 0072652 B1 [0008, 0020]
DE 102005040473 B4 [0014, 0035, 0057]
US 6816321 A [0058]

Claims

Stereomikroskop (10) mit einem ersten stereoskopischen Kanal (R) mit einer ersten optischen Achse (33R), einem zweiten stereoskopischen Kanal (L) mit einer zweiten optischen Achse (33L) und einem eine Axialrichtung (A) definierenden gemeinsamen Hauptobjektiv (2), welches objektseitig des ersten und des zweiten stereoskopischen Kanals (R, L) angeordnet ist, wobei die erste und die zweite optische Achse (33R, 33L) zumindest in einem objektseitigen Abschnitt des ersten und des zweiten stereoskopischen Kanals (R, L) parallel zu der Axialrichtung (A) in einem ersten Abstand (B) zueinander verlaufen, und wobei zwischen dem ersten und dem zweiten stereoskopischen Kanal (R, L) und dem Hauptobjektiv (2) ein Stereovariator (1) vorgesehen ist, mit welchem die erste und die zweite optische Achse (33R, 33L) parallel zu der Axialrichtung (A) auf einen zweiten, eine Stereobasis des Stereomikroskops (10) definierenden Abstand (S) einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Stereovariator (1) objektseitig vor dem ersten stereoskopischen Kanal (R) eine erste reflektierende teildurchlässige Fläche (11) aufweist und objektseitig vor dem zweiten stereoskopischen Kanal (L) eine zweite reflektierende Fläche (12) aufweist, wobei die erste reflektierende teildurchlässige Fläche (11) und die zweite reflektierende Fläche (12) parallel zueinander und schräg zu der Axialrichtung (A) angeordnet sind, so dass ein Teilstrahl eines ersten Lichtbündels entlang der ersten optischen Achse (33R) die erste reflektierende teildurchlässige Fläche (11) durchsetzt und den Stereovariator (1) ablenkungsfrei durchstrahlt und ein Teilstrahl eines zweiten Lichtbündels entlang der zweiten optischen Achse (33L) an der ersten reflektierenden teildurchlässigen Fläche (11) und an der zweiten reflektierenden Fläche (12) abgelenkt wird und aus dem Stereovariator (1) mit einem parallelen Versatz austritt.
Stereomikroskop (10) nach Anspruch 1, bei dem die erste reflektierende teildurchlässige Fläche (11) und/oder die zweite reflektierende Fläche (12) in der Axialrichtung (A) verschiebbar sind, so dass ein Betrag des parallelen Versatzes des Teilstrahls des zweiten Lichtbündels eingestellt werden kann.
Stereomikroskop (10) nach Anspruch 2, das manuelle und/oder elektromechanische Stellmittel (17) aufweist, mit denen die erste reflektierende teildurchlässige Fläche (11) und/oder die zweite reflektierende Fläche (12) jeweils in der Axialrichtung (A) verschiebbar sind.
Stereomikroskop (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste erste reflektierende teildurchlässige Fläche (11) und/oder die zweite reflektierende Fläche (12) jeweils zumindest teilweise als Spiegelfläche und/oder als Prismenfläche ausgebildet sind.
Stereomikroskop (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das als Stereomikroskop (10) vom Teleskoptyp ausgebildet ist und einen Strahlengang aufweist, der zumindest zwischen dem Hauptobjektiv (2) und dem ersten und dem zweiten stereoskopischen Kanal (R, L) afokal verläuft.
Stereomikroskop (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein optisches Element (31) des ersten stereoskopischen Kanals (R) einen anderen optisch wirksamen Durchmesser aufweist als ein entsprechendes optisches Element (31) des zweiten stereoskopischen Kanals (L).
Stereomikroskop (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der erste Abstand (B) 15 bis 30 mm, insbesondere 24 mm, und/oder der zweite Abstand (S) 0 bis 12 mm beträgt.
Stereomikroskop (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste und die zweite optische Achse (33R, 33L) einen Schnittpunkt (X) innerhalb des Stereovariators (1) aufweisen.
Stereomikroskop (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Stereovariator (1) reversibel zwischen dem ersten und dem zweiten stereoskopischen Kanal (R, L) und dem Hauptobjektiv (2) einfügbar ist.
Stereomikroskop (10) nach Anspruch 9, bei dem der Stereovariator (1) eine insbesondere verschiebbare Aufnahme (18) für das Hauptobjektiv (2) aufweist.
Stereovariator (1), der zur Verwendung in einem Stereomikroskop (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist und eine erste reflektierende teildurchlässige Fläche (11) und eine zweite reflektierende Fläche (12) aufweist, wobei die erste reflektierende teildurchlässige Fläche (11) und die zweite reflektierende Fläche (12) parallel zueinander und schräg zu einer Richtung angeordnet sind, die parallel zu einer durch ein Hauptobjektiv (2) des Stereomikroskops definierten Axialrichtung (A) angeordnet werden kann, und wobei die erste reflektierende teildurchlässige Fläche (11) objektseitig vor einem ersten stereoskopischen Kanal (R) des Stereomikroskops (10) und die zweite reflektierende Fläche (12) objektseitig vor einem zweiten stereoskopischen Kanal (L) des Stereomikroskops (10) anbringbar sind, so dass ein Teilstrahl eines ersten, entlang einer ersten optischen Achse (33R) durch den ersten stereoskopischen Kanal (R) verlaufenden Lichtbündels die erste reflektierende teildurchlässige Fläche (11) durchsetzt und den Stereovariator (1) ablenkungsfrei durchstrahlt und ein Teilstrahl eines zweiten, entlang einer zweiten optischen Achse (33L) durch den zweiten stereoskopischen Kanal (L) verlaufenden Lichtbündels an der ersten und der zweiten reflektierenden Fläche (11, 12) abgelenkt wird und aus dem Stereovariator (1) unter einem parallelen Versatz austritt.
Verwendung eines Stereovariators (1) nach Anspruch 11 zur Beeinflussung einer Stereobasis eines Stereomikroskops (10), insbesondere eines Stereomikroskops (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Videomikroskopiesystem (100) mit einem Stereomikroskop (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, digitalen Bilderfassungsmitteln (6), mittels derer ein Bild eines durch das Stereomikroskop (10) betrachteten Objekts (O) erfasst werden kann, und Anzeigemitteln (8), mittels derer das erfasste Bild zumindest zeitweise stereoskopisch dargestellt werden kann.
Videomikroskopiesystem (100) nach Anspruch 13, das dafür eingerichtet ist, die Stereobasis des Stereomikroskops (10) auf Grundlage wenigstens eines Betrachtungsabstandes (D), aus dem das zumindest zeitweise stereoskopisch dargestellte Bild durch wenigstens einen Betrachter (9) betrachtet wird, durch Einstellen des Stereovariators (1) anzupassen.
Videomikroskopiesystem (100) nach Anspruch 14, das Erfassungsmittel aufweist, um den wenigstens einen Betrachtungsabstand (D) zu erfassen.
Videomikroskopiesystem (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem die Anzeigemittel (8) wenigstens einen 3D-Monitor (81) und/oder wenigstens eine 3D-Projektionseinrichtung (82) umfassen.
Verfahren zur Darstellung eines stereoskopischen Bildes, bei dem ein Videomikroskopiesystem (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 16 verwendet wird, wobei das Verfahren umfasst, eine Stereobasis des wenigstens einen Stereomikroskops (10) auf Grundlage wenigstens eines Betrachtungsabstandes (D), aus dem das zumindest zeitweise stereoskopisch dargestellte Bild durch wenigstens einen Betrachter (9) betrachtet wird, anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Stereobasis des wenigstens einen Stereomikroskops (10) auf Grundlage eines Wertes, der aus wenigstens zwei Betrachtungsabständen (D) ermittelt wird, angepasst wird.