DE102019131646A1

DE102019131646A1 - Stativ für eine optische Beobachtungseinheit, optisches Beobachtungsgerät, Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Beobachtungsgeräts sowie Computerprogramm

Info

Publication number: DE102019131646A1
Application number: DE102019131646.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Raab; Jonathan Essig; Dominik Scherer; Christian Voigt; Stefan Saur
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2021-05-27
Also published as: US20210157112A1; US11977212B2

Abstract

Zur Vereinfachung der optischen Kalibrierung eines optischen Beobachtungsgeräts 100 wird ein Stativ 201 für eine optische Beobachtungseinheit 102 mit einem ortsunveränderlich direkt an dem Stativ 201 angeordneten Kalibrierobjekt 300 angegeben.Außerdem werden ein optisches Beobachtungsgerät 100, das ein solches Stativ 201 und eine mit dem Stativ 201 verbundene optische Beobachtungseinheit 102 aufweist, ein Verfahren zum Kalibrieren eines solchen optischen Beobachtungsgeräts 100 sowie ein Computerprogramm angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stativ für eine optische Beobachtungseinheit, ein optisches Beobachtungsgerät, ein Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Beobachtungsgeräts sowie ein Computerprogramm.
Operationsmikroskope kommen in verschiedenen medizinischen Disziplinen, wie z. B. der Ophthalmo-, Dental- oder Neurochirurgie, zum Einsatz. Mikroskope für die Neurochirurgie weisen dabei die größte technische Komplexität auf, da Eingriffe am Gehirn aufgrund ihrer großen Kritikalität und Vielfältigkeit zumeist eine Unterstützung durch zahlreiche Zusatzfunktionen erfordern. Neben der Grundfunktionalität, der Abbildung des Situs, spielen beispielsweise auch die Visualisierung mit Fluoreszenz, die Navigation und das Nachverfolgen von Instrumenten (Tool-Tracking) eine Rolle.
Aufgrund der zunehmenden Komplexität von Operationsmikroskopen besteht ein zunehmender Bedarf an Test-, Justage- und Kalibrierverfahren, um die Funktionsfähigkeit zu prüfen und ggf. Veränderungen oder spezifische Einstellungen vornehmen zu können. Diese Verfahren, die nachfolgend insgesamt mit dem Begriff Kalibrierverfahren bezeichnet werden, können während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des Operationsmikroskops, aber auch im Rahmen der Fertigung sowie Wartung und Instandhaltung durchgeführt werden. Zu den Kalibrierverfahren im o. g. Sinne können u. a. zählen: Dioptrieeinstellung am Okular, Überprüfen und Einstellen der X, Y, Z-Stellung von Kameras und anderen optischen Komponenten, Überprüfen und Einstellen intrinsischer Kameraparameter, zeitliche Kalibrierung von Kameras, Überprüfen und Einstellen von Zoom und Autofokus, Feststellen der absoluten Fluoreszenzintensität, Überprüfen und Einstellen der Kinematik des Stativs zur Verbesserung der absoluten Positioniergenau ig keit.
Diese und ähnliche Tests erfordern häufig die Verwendung eines optischen Kalibrierobjekts, auch als Kalibrierstandard, Kalibriertarget oder Marker bezeichnet. Dieses wird zu Beginn des Kalibrierverfahrens, z. B. vor der Aufnahme von Bildern, gezielt, beispielsweise vor dem Hauptobjektiv des Operationsmikroskops oder in definierten Positionen zum Stativ, angeordnet. Bei vielen Kalibrierverfahren ist dabei eine genaue kontrollierte geometrische Ausrichtung des Kalibrierobjekts notwendig.
Das manuelle Anbringen und Ausrichten des Kalibrierobjekts ist ein zeitraubender, anstrengender und fehleranfälliger Vorgang, der selbst von geschultem Servicepersonal nur mit Mühe, von einem ungeschulten Nutzer ggf. gar nicht, durchgeführt werden kann. Darüber hinaus ist zusätzliche Ausrüstung erforderlich, die erworben, sowie mitgeführt und/oder verstaut werden muss. Dies vergrößert den Aufwand für die Durchführung der Kalibrierverfahren erheblich.
Nachfolgend werden beispielhafte Kalibrierverfahren und ihrer Durchführung gemäß dem Stand der Technik kurz erläutert.
Durch Anpassung der Dioptrieeinstellung am Okular kann das Okular an die Fehlsichtigkeit des Nutzers, z. B. eines Technikers oder eines Operateurs, angepasst werden. Gemäß einem derzeitigen Kalibrierverfahren für diese Einstellung wird das Mikroskop senkrecht über einem ebenen Objekt, z. B. einem beschriebenen Blatt Papier, das als Kalibrierobjekt dient, positioniert. Anschließend werden die Okulare am Binokulartubus auf Augenabstand gebracht, so dass beide Okularbilder zu einem Bild verschmelzen. Danach wird am Mikroskop der kleinste Vergrößerungswert eingestellt, wobei ein möglichst kurzer Arbeitsabstand gewählt wird. Nun wird der Dioptrieneinstellring am Okular auf 0 Dioptrien eingestellt. Dann schaut der Nutzer durch das Okular und stellt das Bild scharf. Anschließend wird das Mikroskop auf den größten Vergrößerungswert eingestellt und mit der Feinfokussierung korrigiert, bis ein scharfes Bild erhalten wird. Nachfolgend wird erneut der kleinste Vergrößerungswert eingestellt, ohne dass der Arbeitsabstand verändert wird. Nun wird der Dioptrieneinstellring am Okular auf den maximalen Plus-Dioptrienwert, z. B + 5 dpt., eingestellt. Der Nutzer schaut erneut durch das Okular und dreht den Dioptrieneinstellring in Richtung Minus-Dioptrien, bis ein scharfes Bild erhalten wird. Der gesamte Ablauf muss anschließend für das zweite Okular wiederholt werden. Ggf. muss der Vorgang wiederholt werden, falls bei Verstellung des Vergrößerungswerts dennoch ein Nachfokussieren erforderlich ist.
Dieser aufwändige Vorgang wird von vielen Nutzern als lästig empfunden und oftmals nicht durchgeführt. In der Folge wird mit einem nicht an die Fehlsichtigkeit des Nutzers angepassten Mikroskop gearbeitet. Daneben tritt bei Verwendung einer Videokamera ein weiteres Problem auf. In diesem Fall liegen nämlich visueller Fokus und Videofokus in verschiedenen Ebenen, wodurch entweder nur das visuelle Bild oder nur das Videobild scharf zu sehen ist.
Unter die Kalibrierung von Kameras und anderen optischen Komponenten fallen z. B. die Justage des x-y-Versatzes beim Einsatz getrennter Kameras für den linken und rechten Abbildungskanal (intrinsische Justage) sowie die mechanische X, Y, Z - Einstellung der Kameras relativ zum optischen Pfad.
Für das Überprüfen und Einstellen der Umfeldkamera für die Nachverfolgung von Instrumenten wird das nachzuverfolgende (handgehaltene) chirurgische Instrument mit einem zweidimensionalen (2D) Kalibrierobjekt versehen. Das Kalibrierobjekt wird durch eine am Mikroskop angebrachte Kamera gefilmt und seine Lage im Operationsfeld berechnet. Mittels entsprechender Ansteuerung des motorischen Stativs des Mikroskops kann die optische Achse des Mikroskops der Spitze des chirurgischen Instruments nachgeführt werden.
Um dies zu ermöglichen ist eine intrinsische Kalibrierung der Umfeldkamera erforderlich. Die intrinsischen Parameter dienen der Wiederherstellung des Zusammenhangs zwischen Dem Kamera- und dem Bildkoordinatensystem. Außerdem können die Verzerrungskoeffizienten der Optik bestimmt werden.
Eine weitere Voraussetzung für die Nachverfolgung von Instrumenten ist die Kalibrierung zwischen dem Koordinatenursprung der Umfeldkamera und einem physischen Punkt am Mikroskop, da die in der Umfeldkamera erkannte Bewegung des Instruments im Koordinatensystem des Mikroskops durchgeführt werden muss. Aufgrund dessen, dass der Koordinatenursprung der Umfeldkamera keinem physischen Punkt an der Umfeldkamera entspricht, kann dies nicht geometrisch vermessen werden. Es sind daher Verfahren wie die Hand-Auge-Kalibrierung zur Durchführung dieser Kalibrierung notwendig.
Zum Überprüfen und Einstellen interner Kameras, z. B. zur topographischen Rekonstruktion der Oberfläche des Situs mittels mindestens zwei Kameras eines stereoskopischen Mikroskops oder für erweiterte Darstellungen (Augmentierung), sind eine intrinsische Kalibrierung (siehe vorstehende Erläuterung) sowie eine extrinsische Kalibrierung erforderlich. Bei der extrinsischen Kalibrierung wird die räumliche Anordnung der Kameras, also deren Rotation und Translation, zueinander ermittelt. Da bei einem Operationsmikroskop die Kameras im optischen Pfad hinter einem beweglichen Linsensystem für Zoom und Fokus angeordnet sind, liegt eine besondere Herausforderung darin, die Kalibrierung für beliebige Zoom- und Fokuswerte durchzuführen und Toleranzen in den Motoren, die die Linsen für Zoom und Fokus bewegen, auszugleichen. Eine genaue Kalibrierung ist auch erforderlich, wenn Bilddaten einer Kamera auf Bilddaten einer anderen Kamera überlagert bzw. augmentiert werden sollen.
Die Qualität der Ergebnisse einiger Anwendungen ist von der absoluten Positioniergenauigkeit des Stativs des Mikroskops abhängig. Beispiele hierfür sind die Pivotierung des Mikroskops um den Fokuspunkt oder die Offline-Positionierung zu bestimmten Positionen im Raum, z. B. beim Tool-Tracking. Die absolute Positioniergenauigkeit des Stativs ist wiederum abhängig von der exakten Kenntnis der kinematischen Parameter des Stativs, die aufgrund von üblichen Montage- und Fertigungstoleranzen von den nominellen Werten abweichen können.
Die Stativkinematik kann z. B. kalibriert werden, indem ein oder mehrere definierte Punkte im Raum mit verschiedenen Orientierungen des Stativs angefahren werden. Am konkreten Beispiel eines Operationsmikroskops kann dies realisiert werden, indem die Optik des Operationsmikroskops zu einem Kalibrierobjekt ausgerichtet wird. Zusammen mit der Kamerakalibrierung kann dann die tatsächliche Position und Orientierung des Operationsmikroskops relativ zum Kalibrierobjekt bestimmt werden. In Kenntnis der Tatsache, dass das Kalibrierobjekt bei allen Positionen an der gleichen Stellen angeordnet ist, stellt die Abweichung der tatsächlichen von der nominellen Position des Operationsmikroskops de zu minimierend Größe des Kalibrieralgorithmus dar. Um einen größeren Arbeitsbereich kalibrieren zu können, können auch mehrere Kalibrierobjekte mit fester und bekannter Position zueinander verwendet werden.
Üblicherweise werden die Kalibrierobjekte im Raum angeordnet, um ihre absolute Positionierung relativ zum Raum zu optimieren bzw. kalibrieren. Aufgrund der mobilen und daher veränderlichen Aufstellung eines Operationsmikroskops im Raum ist jedoch vordergründig die Kalibrierung relativ zur Basis des Mikroskops von Interesse. Dafür ist jedoch eine exakte Anordnung der Kalibrierobjekte relativ zum Stativ erforderlich.
Aus der US 2017 / 0 066 131 A1 ist ein Kalibrierverfahren für eine Roboterarmvorrichtung bekannt, um Abweichungen zwischen einem Koordinatensystem eines internen Modells zur Steuerung der Vorrichtung und dem Koordinatensystem im realen Raum zu minimieren. Die Roboterarmvorrichtung weist eine Armeinheit mit mehreren gelenkig miteinander verbundenen Gliedern und eine mit der Armeinheit verbindbare Bilderfassungseinheit, z. B. ein Mikroskop, auf. Zur Durchführung des Kalibrierverfahrens wird ein Referenzpunkt als Referenzobjekt im realen Raum detektiert. Der Referenzpunkt kann als ein bestimmter Punkt auf einer mit der Armeinheit verbundenen Halteeinrichtung festgelegt sein. Die Verbindung zwischen Armeinheit und Halteeinrichtung ist lösbar, um einen Wechsel und eine andere Positionierung der Halteeinrichtung zu ermöglichen. Eine mögliche Bewegung der Halteeinrichtung und damit des Referenzpunkts bezüglich der Armeinheit und der Bilderfassungseinheit kann jedoch zu fehlerhaften Kalibrierungen führen bzw. es müssen mögliche Bewegungen mit hohem Aufwand bei der Kalibrierung berücksichtigt werden.
Außerdem ist eine manuelle Ausrichtung der Halteeinrichtung mit dem Referenzpunkt nach jedem Wechsel erforderlich.
Weitere Kalibrierverfahren sind aus dem Bereich diagnostischer und therapeutischer Manipulatorsysteme bekannt. Derartige Systeme bedürfen einer Kalibrierung, um die Wiederholgenauigkeit und Absolutgenauigkeit bei der Verwendung des Manipulators zu erhöhen. So offenbart die DE 10 2016 225 613 A1 ein Verfahren zum Kalibrieren eines Manipulators eines Manipulatorsystems mit einer Bildgebungsvorrichtung, wobei in einem ersten Verfahrensschritt eine Soll-Pose mittels des Manipulators angefahren wird. Anschließend wird ein Bild eines Teils des Manipulators oder eines Endeffektors des Manipulators mittels der Bildgebungsvorrichtung erfasst. Mittels des erfassten Bilds werden die Ist-Pose des Manipulators und die Abweichung zwischen Soll-Pose und Ist-Pose bestimmt. Basierend auf der Abweichung wird ein Kalibrierungsparameter berechnet, mit dem der Manipulator kalibriert wird. Optional kann am Manipulator bzw. dem Endeffektor ein Marker angebracht sein, der beim Erfassen des Bilds mit erfasst wird. Marker und Bildgebungsvorrichtung sind jedoch getrennt voneinander angeordnet, d. h. die Position des Markers bezüglich der Bildgebungsvorrichtung kann sich ändern, z. B. bei einer Neupositionierung des Manipulatorsystems nach einem Transport. Dies führt zu einer Abweichung der Position des in der Soll-Pose befindlichen Manipulatorsystems bezüglich der Bildgebungsvorrichtung, wodurch die Kalibrierung nachteilig beeinflusst werden kann.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Stativ für eine optische Beobachtungseinheit sowie ein optisches Beobachtungsgerät mit verbesserten Möglichkeiten für eine optische Kalibrierung anzugeben. Daneben ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Kalibrierverfahren und ein Computerprogrammprodukt, das die Durchführung des Verfahrens ermöglicht, anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Grundgedanke der Erfindung ist es, an einem Stativ eines optischen Beobachtungsgerät, z. B. eines Operationsmikroskops, ein Kalibrierobjekt anzuordnen. Das Kalibrierobjekt kann durch eine Beobachtungseinheit des Beobachtungsgeräts betrachtet oder aufgenommen werden. Hierfür kann die Beobachtungseinheit mittels eines Stativs des Beobachtungsgeräts in einer Referenzposition positioniert werden. Anhand des beobachteten oder aufgenommenen Kalibrierobjekts kann anschließend eine Kalibrierung durchgeführt werden.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Stativ für eine optische Beobachtungseinheit mit einem ortsunveränderlich direkt an dem Stativ angeordneten Kalibrierobjekt.
Das Stativ dient dem Positionieren, Ausrichten und Halten einer optischen Beobachtungseinheit, beispielsweise eines Operationsmikroskops. Hierfür kann die optische Beobachtungseinheit mittels einer Aufhängung mit dem Stativ verbunden werden. Zum Erfüllen dieser Aufgabe soll einerseits die von dem Stativ gehaltene optische Beobachtungseinheit möglichst widerstandsfrei positioniert werden können. Andererseits soll die einmal positionierte Beobachtungseinheit sicher in ihrer Position gehalten werden können. Daneben kann das Stativ weitere Aufgaben erfüllen, z. B. eine Nachverfolgung von Instrumenten ermöglichen, indem die Beobachtungseinheit mittels des Stativs gezielt bewegt wird.
Um diese Aufgaben erfüllen zu können, weist das Stativ mehrere fest oder gelenkig miteinander verbundene Stativglieder auf, z. B. eine höhenverstellbare Stativsäule, einen Tragarm, einen Federarm und eine Aufhängung für die optische Beobachtungseinheit. Zudem kann ein Stativfuß vorgesehen sein, an dessen Unterseite Einrichtungen, z. B. Rollen, zum Verfahren des Stativs angebracht sein können. Die konkrete Ausgestaltung des Stativs ist u. a. abhängig von den Abmessungen der optischen Beobachtungseinheit, der gewünschten Anwendung, z. B. während einer Operation, und dem zur Verfügung stehenden Platzangebot am Aufstellort.
Das Stativ kann motorisch betrieben ausgebildet sein, so dass eine Positionierung und Ausrichtung der optischen Beobachtungseinheit durch entsprechende Steuerung der Motoren des Stativs ermöglicht werden kann. Zu diesem Zweck kann das Stativ mit einer Steuerungseinheit signalübertragend verbunden sein.
Am Stativ ist ein Kalibrierobjekt direkt und ortsunveränderlich angeordnet. Direkt kann bedeuten, dass das Kalibrierobjekt unmittelbar und unlösbar mit dem Stativ verbunden, z. B. aufgeklebt, verschweißt etc. ist oder sogar durch einen Teil einer geometrischen Struktur des Stativs selbst gebildet wird. Es kann die Möglichkeit bestehen, das Kalibrierobjekt auf einem Monitor darzustellen, der am Stativ befestigt ist. Ortsunveränderlich kann bedeuten, dass eine Position des Kalibrierobjekts bezüglich desjenigen Stativglieds, an dem es angeordnet ist, bei bestimmungsgemäßen Gebrauch nicht geändert werden kann. Mit anderen Worten ist ein Verschieben, Verdrehen etc. des Kalibrierobjekts bezüglich dieses Stativglieds nicht möglich. Gleichwohl kann sich das Kalibrierobjekt zusammen mit diesem Stativglied bezüglich der anderen Stativglieder bewegen. Ein vollständiges Lösen des Stativglieds zusammen mit dem daran angeordneten Referenzobjekt vom übrigen Stativ ist im montierten Zustand des Stativs nicht vorgesehen. Das Kalibrierobjekt bleibt also stets, d. h. dauerhaft, mit dem Stativ verbunden, bildet also stets einen Teil des Stativs.
Das Kalibrierobjekt sollte derart am Stativ angeordnet sein, dass es mittels einer mit dem Stativ verbindbaren Beobachtungseinheit betrachtbar ist. Beispielsweise kann das Kalibrierobjekt mit der Beobachtungseinheit aus einer vorgebbaren Referenzposition heraus betrachtbar sein, d. h. die Beobachtungseinheit befindet sich beim Betrachten des Kalibrierobjekts in einer Referenzposition. Selbstverständlich können auch mehrere Referenzpositionen vorgesehen sein, um z. B. das Kalibrierobjekt aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln betrachten zu können. Unter Betrachten des Kalibrierobjekts kann ein Vorgang verstanden werden, bei dem das Kalibrierobjekt mittels einer oder mehreren Kameras der Beobachtungseinheit ganz oder teilweise beobachtet wird. Während der Beobachtung können Bild- oder Filmaufnahmen des Kalibrierobjekts angefertigt werden, die in verschiedenen Kalibrierverfahren verwendet werden können.
Die konkrete Anordnung des Kalibrierobjekts kann von der Art der durchzuführenden Kalibrierverfahren abhängig sein. Für die Kalibrierung von Kameras sollte das Kalibrierobjekt vollständig im Sichtbereich (engl. Field-of-View Bereich) der jeweiligen Kamera liegen. Bevorzugt kann das Kalibrierobjekt derart angeordnet sein, dass es von mehreren Kameras der Beobachtungseinheit aus verschiedenen Betrachtungswinkeln betrachtet werden kann. Für eine Kamerakalibrierung, z. B. Kalibrierung der Bildschärfe, des dreidimensionalen Bildeindrucks, kann das Kalibrierobjekt bevorzugt orthogonal zur Strahleintrittsfläche der Kamera angeordnet sein. Soll hingegen eine Kalibrierung der Kinematik des Stativs durchgeführt werden, empfiehlt sich eine Anordnung des Kalibrierobjekts möglichst am oder in der Näher des Stativfußes.
Die konkrete Anordnung des Kalibrierobjekts am Stativ ist u. a. abhängig von der geometrischen Gestaltung des Kalibrierobjekts sowie des Stativs und der zu verwendenden Beobachtungseinheit und deren Anordnung am Stativ. Das Kalibrierobjekt muss jedenfalls so angeordnet sein, dass es von mindestens einer Kamera der Beobachtungseinheit beobachtet werden kann. Eine Anordnung des Kalibrierobjekts auf der Unterseite des Stativfußes, also auf der Standfläche des Stativs, wäre hierfür beispielsweise nicht ausreichend. Vielmehr muss also eine Sichtverbindung zwischen der am Stativ befestigten Beobachtungseinheit und dem Kalibrierobjekt herstellbar sein, ggf. nach geeigneter Bewegung der Stativglieder und/oder der mit dem Stativ verbundenen Beobachtungseinheit.
Das Kalibrierobjekt dient, wie eingangs beschrieben, der Durchführung von Kalibrierverfahren und weist üblicherweise charakteristische Punkte, z. B. Eckpunkte eines Schachbrettmusters, auf, die zuverlässig und genau durch die Beobachtungseinheit detektiert werden können und deren Lage, Anordnung, Ausrichtung etc. für das jeweilige Kalibrierverfahren genutzt wird.
Die ortsunveränderliche und direkte Anordnung des Kalibrierobjekts am Stativ bewirkt eine Wiederholbarkeit der mittels des Kalibrierobjekts durchgeführten Kalibrierungen mit hoher Wiederholgenauigkeit. Ein manuelles Anbringen des Kalibrierobjekts ist nicht mehr erforderlich. Dadurch können die Kalibrierverfahren automatisiert werden, d. h. die Kalibrierungen können ohne oder allenfalls mit geringem Eingriff eines Nutzers, z.B. eines Technikers oder Operateurs, durchgeführt werden. Der zeitliche Aufwand für die Durchführung der Kalibrierungen kann verringert werden. Zudem entfällt die Notwendigkeit des Erwerbens und Vorhaltens eines separaten Kalibrierobjekts.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Kalibrierobjekt ein zweidimensionales Kalibriermuster, ein dreidimensionaler Kalibrierkörper oder ein Teil des Stativs sein.
Ein zweidimensionales Kalibriermuster kann beispielsweise als Schachbrettmuster, Punktemuster, QR-Code, Logo o.ä. ausgebildet sein. Ein solches Kalibriermuster lässt sich einfach und kostengünstig herstellen und am Stativ anordnen, z. B. mittels Aufdrucken, Lasergravieren oder Aufkleben.
Ein dreidimensionaler Kalibrierkörper kann einen im genutzten Spektralbereich, also z. B. im sichtbaren Spektralbereich, transparenten Grundkörper und ein oder mehrere im Grundkörper angeordnete nichttransparente Kalibriermarken aufweisen. Ein solcher Kalibrierkörper ermöglicht ein Kalibrieren in drei Dimensionen.
Optional können einige der Kalibriermarken selektiv aktivierbar und deaktivierbar sein, wobei eine aktivierte Kalibriermarke im genutzten Spektralbereich sichtbar und eine deaktivierte Kalibriermarke im genutzten Spektralbereich nicht sichtbar ist. Weiterhin können die Kalibriermarken in unterschiedlichen Ebenen des transparenten Grundkörpers aktiviert und deaktiviert werden. Indem zumindest einige der Kalibriermarken aktivierbar und deaktivierbar sind, können durch geeignetes Aktivieren und Deaktivieren von Kalibriermarken Abschattungen, d. h. Verdeckungen tiefergelegener Kalibriermarken durch höher gelegene Kalibriermarken weitgehend vermieden werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, ein Muster von Kalibriermarken im Grundkörper vorzusehen. Das Muster von Kalibriermarken kann eine Verteilung der Kalibriermarken aufweisen, deren Ortsfrequenz sich innerhalb des Kalibrierelements ändert. Alternativ kann das Muster von Kalibriermarken eine selbstähnliche Verteilung der Kalibriermarken aufweisen. Mit dem Muster, dessen Verteilung von Kalibriermarken eine sich ändernde Ortsfrequenz aufweist oder mit dem Muster von Kalibriermarken, dass eine selbstähnliche Verteilung der Kalibriermarken ausweist, kann sowohl für kleine als auch für große Zoomstufen einer Kalibrierung in ausreichender Güte realisiert werden. Bezüglich weiterer Details möglicher dreidimensionaler Kalibrierkörper wird auf die nachveröffentliche deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2018 115 824.6 , Anmeldetag 29.06.2018 verwiesen, die sich detailliert mit solchen Kalibrierkörpern beschäftigt.
Das Kalibrierobjekt kann derart ausgebildet sein, dass die für die Kalibrierung genutzten Strukturen, Marken etc. im sichtbaren Spektralbereich, z. B. in einem üblichen Weißlichtbild, sichtbar sind. Zusätzlich oder alternativ zum sichtbaren Spektralbereich können die für die Kalibrierung genutzten Strukturen, Marken etc. in einem anderen Spektralbereich, z. B. im infraroten Spektralbereich, sichtbar sein.
Das Kalibrierobjekt kann passiv, also stets vorhanden, z. B. als aufgedrucktes Muster, oder aktivierbar und deaktivierbar ausgebildet sein. Aktivierbar bzw. deaktivierbar bedeutet, dass das Kalibrierobjekt bzw. die für die Kalibrierung genutzten Strukturen, Marken etc. bedarfsgerecht aktiviert bzw. deaktiviert werden können, z. B. durch gezielte Ansteuerung von Leuchtdioden oder in Form eines Kalibriermusters, welches dynamisch auf einem Monitor angezeigt wird.
Das Kalibrierobjekt kann auch Teil des Stativs sein, d. h. in dessen Geometrie eingearbeitet sein, z. B. in Form einer Ecke oder eines Logos. Dies kann eine verbesserte ästhetische Gestaltung ermöglichen. Außerdem beansprucht das Kalibrierobjekt keinen weiteren Raum, so dass das dauerhaft ortsunveränderlich angeordnete Kalibrierobjekt sich auch bei beengten Platzverhältnissen nicht störend auswirkt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein optisches Beobachtungsgerät mit einem Stativ gemäß vorstehender Beschreibung und einer mit dem Stativ verbundenen optischen Beobachtungseinheit. Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung des Stativs auch zur Beschreibung des optischen Beobachtungsgeräts. Das Kalibrierobjekt ist derart am Stativ angeordnet, dass es mittels der Beobachtungseinheit betrachtbar bzw. beobachtbar ist.
Die Beobachtungseinheit kann ein oder mehrere Kameras aufweisen, mit denen Foto- oder Filmaufnahmen eines Beobachtungsobjekts oder Beobachtungsbereichs, z. B. des Situs, generiert werden können. Mittels Bewegung des Stativs kann die Beobachtungseinheit ebenfalls bewegt werden, so dass verschiedene Beobachtungspositionen eingenommen werden können. Das optische Beobachtungsgerät kann beispielsweise als Operationsmikroskop ausgebildet sein.
Mit dem optischen Beobachtungsgerät sind die Vorteile des erfindungsgemäßen Stativs entsprechend verbunden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das optische Beobachtungsgerät eine Steuereinheit aufweisen, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, Steuersignale an das Stativ und/oder die Beobachtungseinheit zur Durchführung eines Kalibrierverfahrens auszugeben.
Hierfür kann die Steuereinheit in einer signaltechnischen Wirkverbindung mit Motoren des Stativs und/oder Einstelleinrichtungen der Beobachtungseinheit stehen, sodass Steuersignale ausgegeben werden können, die eine bestimmte Positionierung des Stativs und der Beobachtungseinheit bewirken, die für die Durchführung eines Kalibrierverfahrens erforderlich sind.
Die Ausgabe der Steuersignale kann beispielsweise als Folge einer Eingabe mittels einer mit der Steuereinheit verbundenen Eingabeeinheit erfolgen, z. B. falls ein Nutzer ein Kalibrierverfahren manuell durch eine entsprechende Eingabe initiiert. Alternativ können die Steuersignale als Antwort auf das Vorhandensein anderer Trigger ausgegeben werden, z. B. Ablauf einer vorgebbaren Zeitdauer, Ablauf einer vorgebbaren Nutzdauer des optischen Beobachtungsgeräts, Änderung des Standorts des optischen Beobachtungsgeräts, zu große Abweichung eines Ist-Werts von einem SollWert etc.
Die Steuereinheit ermöglicht eine teil- oder vollautomatisierte Durchführung eines Kalibrierverfahrens, so dass die Kalibrierung mit geringem zeitlichen und personellen Aufwand, z. B. auch ohne Anwesenheit des Nutzers, durchgeführt werden kann. So können Kalibrierverfahren auch außerhalb des Nutzungszeitraums des optischen Beobachtungsgeräts, z. B. nachts oder am Wochenende, durchgeführt werden. Zudem wird durch die Automatisierung die Anzahl an Fehlerquellen verringert, da ein Nutzereingriff nicht oder nur noch in geringem Umfang erforderlich ist. Die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der mit dem optischen Beobachtungsgerät erhältlichen Messergebnisse kann dadurch erhöht werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Beobachtungsgeräts gemäß vorstehender Beschreibung. Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung des optischen Beobachtungsgeräts auch zur Beschreibung des Verfahrens. Das Verfahren kann ganz oder teilweise computerimplementiert und folglich ganz oder teilweise automatisiert durchgeführt werden. Mit dem Verfahren sind die Vorteile des optischen Beobachtungsgeräts entsprechend verbunden, so dass auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen werden kann.
Unter Kalibrierung kann die Ermittlung des Zusammenhangs zwischen einem tatsächlichen (Mess)wert des optische Beobachtungsgeräts und einem als normal definierten (Mess)wert unter vorgegebenen Bedingungen verstanden werden. Anschließend erfolgt eine Berücksichtigung des ermittelten Zusammenhangs, z. B. in Form eines Korrekturfaktors oder einer Einstellungsanpassung des optischen Beobachtungsgeräts. Die Kalibrierung kann aus eine Bestimmung der Umrechnung einer physikalischen Größe in eine andere umfassen. Beispielsweise kann eine intrinsische Kalibrierung u. a. eine Umrechnung von Pixelwerten in mm-Werte umfassen.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Anfertigen von Aufnahmen des Kalibrierobjekts mittels einer oder mehrerer Kameras der Beobachtungseinheit und Auswerten der angefertigten Aufnahmen.
Zunächst werden ein oder mehrere Aufnahmen, z. B. Foto- oder Filmaufnahmen, des Kalibrierobjekts angefertigt. Beispielsweise können Aufnahmen aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln und/oder verschiedenen Entfernungen angefertigt werden, z. B. indem das Stativ entsprechend verfahren bzw. ausgerichtet wird. Außerdem können die Aufnahmen auch mit unterschiedlichen Kameras der Beobachtungseinheit angefertigt werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden die angefertigten Aufnahmen ausgewertet. Durch die Auswertung können Korrekturfaktoren erhalten werden, mit denen der Zusammenhang zwischen einem tatsächlichen (Mess)wert des optischen Beobachtungsgeräts und einem als normal definierten (Mess)wert berücksichtigt werden kann.
Optional kann vor dem Anfertigen der Aufnahmen ein Aktivieren des Kalibrierobjekts erfolgen, indem das Kalibrierobjekt z. B. beleuchtet wird oder ein selbstleuchtendes Kalibrierobjekt zum Leuchten aktiviert wird.
Durch die Verwendung des ortsunveränderlich direkt am Stativ angeordneten Kalibrierobjekts kann das Verfahren vorteilhaft ganz oder teilweise automatisiert durchgeführt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die optische Beobachtungseinheit vor dem Anfertigen der Aufnahmen des Kalibrierobjekts bezüglich des Kalibrierobjekts ausgerichtet werden.
Das Ausrichten der optischen Beobachtungseinheit bezüglich des Kalibrierobjekts kann manuell oder in bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens automatisiert erfolgen. Für ein automatisiertes Ausrichten kann ein robotisches Stativ genutzt werden.
Mit anderen Worten kann die Beobachtungseinheit zunächst derart positioniert werden, dass das Kalibrierobjekt von Kameras der Beobachtungseinheit betrachtet bzw. beobachtet und Foto- oder Filmaufnahmen des Kalibrierobjekts angefertigt werden können.
Die Beobachtungseinheit kann beispielsweise in einer Teststellung bzw. Referenzposition ausgerichtet werden. Bei der Referenzposition handelt es sich um eine Position der Beobachtungseinheit, die genau festgelegt ist und folglich mit hoher Genauigkeit wiederholt eingenommen werden kann. Neben den x, y, z - Koordinaten kann die Referenzposition anhand weiterer Parameter, z. B. Betrachtungswinkel, Fokusabstand, Zoom etc. festgelegt sein. Mittels der Referenzposition lassen sich die Kalibrierverfahren einfach mit hoher Genauigkeit wiederholen. Mögliche Abweichungen können schnell erkannt werden. Je nach konkretem Kalibrierverfahren kann das Ausrichten der Beobachtungseinheit in einer Referenzposition lediglich zweckmäßig oder sogar erforderlich sein. Z. B. ist das Ausrichten der Beobachtungseinheit in einer Referenzposition bei der Kalibrierung von Kameras der Beobachtungseinheit erforderlich. Hierfür ist die Referenzposition definiert über Zoom, Fokusabstand und Betrachtungswinkel zum Referenzobjekt.
Die Referenzposition kann derart festgelegt sein oder werden, dass das gesamte Kalibrierobjekt mit dem Bildsensor der Beobachtungseinheit erfasst werden kann. Dadurch kann die Genauigkeit der Kalibrierung erhöht werden.
Mit einem automatisierten Ausrichten können mehrere Vorteile verbunden sein. So kann das gesamte Kalibrierverfahren automatisiert werden. Dadurch kann das Kalibrierverfahren auch durch Nicht-Fachpersonal, beispielsweise durch eine Operationsschwester, gestartet werden, z. B. durch Betätigen eines einfachen Starttasters. Nach dem Start kann das Kalibrierverfahren vollständig automatisiert ablaufen.
Weiterhin kann ein automatisiertes Ausrichten gegenüber einem manuellen Ausrichten die zeitliche Effizienz verbessern, da bei einem manuellen Ausrichten zumeist nicht sofort die gewünschte Positionierung einstellbar ist, sondern sich der gewünschten Positionierung iterativ genähert wird. Demgegenüber kann bei einem automatisierten Ausrichten die gewünschte Positionierung sofort eingestellt werden.
Darüber hinaus kann mittels eines automatisierten Ausrichtens und eines dadurch ermöglichten vollständig automatisierten Kalibrierverfahrens die Reproduzierbarkeit verbessert werden. Beispielsweise kann bei der Aufnahme von Serien aus verschiedenen Winkeln durch ein automatisiertes Kalibrierverfahren sichergestellt werden, dass immer dasselbe Protokoll abgefahren wird, z. B. um bei einer intrinsischen Kalibrierung zu garantieren, dass auch die gesamte Chipfläche berücksichtigt wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Verwenden der ausgewerteten Aufnahmen zum Durchführen einer Anpassung einer Dioptrieeinstellung an einem Okular der optischen Beobachtungseinheit aufweisen.
Mit anderen Worten können die ausgewerteten Aufnahmen genutzt werden, um eine Dioptrieeinstellung an einem Okular der optischen Beobachtungseinheit vorzunehmen. Hierdurch besteht die Möglichkeit, das Okular an eine Fehlsichtigkeit des Nutzers anzupassen.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Verwenden der ausgewerteten Aufnahmen in einer Kalibrierung von Kameras der optischen Beobachtungseinheit aufweisen.
Hierbei kann bevorzugt ein dreidimensionaler Kalibrierkörper als Kalibrierobjekt genutzt werden, um einen Versatz zwischen einer Ist-Position und einer Soll-Position der Kameras der optischen Beobachtungseinheit ermitteln zu können. Mit der Ermittlung des Versatzes kann dem Problem begegnet werden, dass bei einer hochgenauen Kalibrierung der Kameras die Reproduzierbarkeit, mit der eine Referenzstellung mittels des motorischen Stativs angefahren werden kann, möglicherweise nicht ausreichend ist. Vorzugsweise kann der dreidimensionale Kalibrierkörper beleuchtete Strukturen aufweisen, die in mehreren Ebenen angeordnet sind.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Verwenden der ausgewerteten Aufnahmen in einer intrinsischen Kalibrierung und/oder in einer Hand-Auge-Kalibrierung von Kameras der optischen Beobachtungseinheit aufweisen.
Bei einem solchen Verfahren kann bevorzugt ein Schachbrettmuster als Kalibrierobjekt verwendet werden. Bei der Kamera kann es sich um eine Umfeldkamera mit fester Fokusweite und ohne Zoomsystem handeln.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Verwenden der ausgewerteten Aufnahmen in einer extrinsischen Kalibrierung interner Kameras für Topographie- und/oder Augmentierungsanwendungen aufweisen.
Unter dem Begriff „interne Kamera“ kann eine mit dem optischen Beobachtungsgerät mechanisch fest verbundene Kamera verstanden werden, z. B. auch eine am optischen Beobachtungsgerät anordenbare Umfeldkamera, die optional montier- und demontierbar ist.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Verwenden der ausgewerteten Aufnahmen in einer Kalibrierung einer Kinematik des Stativs aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm, das Befehle umfasst, die bewirken, dass ein optisches Beobachtungsgerät gemäß vorstehender Beschreibung ein Verfahren zum Kalibrieren des optischen Beobachtungsgeräts ausführt.
Unter einem Computerprogramm kann ein auf einem geeigneten Medium speicherbarer und/oder über ein geeignetes Medium abrufbarer Programmcode verstanden werden. Folglich kann das Computerprogramm auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein. Weiterhin kann ein Datenträgersignal gebildet sein, das das Computerprogramm überträgt.
Zum Speichern des Programmcodes kann jedes zum Speichern von Software geeignete Medium, beispielsweise ein in einem Steuergerät verbauter nichtflüchtiger Speicher, eine DVD, ein USB-Stick, eine Flashcard oder dergleichen, Verwendung finden. Das Abrufen des Programmcodes kann beispielsweise über das Internet oder ein Intranet erfolgen oder über ein anderes geeignetes drahtloses oder kabelgebundenes Netzwerk.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

1 zeigt ein beispielhaftes optisches Beobachtungsgerät mit einem Stativ und einem daran angeordnetem Operationsmikroskop.
2 zeigt die Freiheitsgrade, die das Stativ aus 1 und dessen Aufhängung für die optische Beobachtungseinheit zur Verfügung stellen.
3 zeigt ein beispielhaftes Operationsmikroskop mit einem Kalibrierobjekt.
4 zeigt ein beispielhaftes Operationsmikroskop mit einem Kalibrierobjekt in Form eines zweidimensionalen Schachbrettmusters.
5 zeigt in einem Querschnitt einen 3D-Kalibrierkörper, der aus einer Anzahl von Displayschichten aufgebaut ist.
6 zeigt in einem Querschnitt einen 3D-Kalibrierkörper, der aus einer Anzahl von Lichtleiterschichten aufgebaut ist.
7 zeigt ein beispielhaftes Ablaufschema eines Verfahrens zum Kalibrieren eines optischen Beobachtungsgeräts.
8 zeigt ein beispielhaftes Ablaufschema eines weiteren Verfahrens zum Kalibrieren eines optischen Beobachtungsgeräts.
9 zeigt ein beispielhaftes Ablaufschema eines weiteren Verfahrens zum Kalibrieren eines optischen Beobachtungsgeräts.
10 zeigt ein beispielhaftes Ablaufschema eines weiteren Verfahrens zum Kalibrieren eines optischen Beobachtungsgeräts.
11 zeigt ein beispielhaftes Ablaufschema eines weiteren Verfahrens zum Kalibrieren eines optischen Beobachtungsgeräts.

In 1 ist ein optisches Beobachtungsgerät 100 mit einem motorisch angetriebenen Stativ 201 und einer an dem Stativ 201 befestigten optischen Beobachtungseinheit 102 dargestellt. Das optische Beobachtungsgerät 100 ist ein Operationsmikroskop. Durch die Eingabe von Navigationsdaten kann die optische Beobachtungseinheit 102 in seiner Orientierung und seiner Position automatisch eingestellt werden, was eine Positionierung und Orientierung der optischen Beobachtungseinheit 102 auch aus der Ferne derart ermöglicht, dass ein bestimmter Ausschnitt aus einem Objektfeld, z. B. der Situs, optimal dargestellt wird. Zu diesem Zweck ist dem Stativ 201 eine Steuereinheit 401 zugeordnet, die anhand von empfangenen Positionsund/oder Orientierungssteuerdaten die Positionierung bzw. Orientierung der optischen Beobachtungseinheit 102 vornimmt, indem Steuersignale 403, 404 an geeignete Stellmotoren ausgegeben werden.
Nachfolgend werden das Stativ 201 und die vom Stativ für die optische Beobachtungseinheit 102 ermöglichten Freiheitsgrade anhand der 1 und 2 näher beschrieben. In dem in 1 gezeigten Beispiel für ein Stativ 201 ruht das Stativ auf einem Stativfuß 205, an dessen Unterseite Rollen 206 vorhanden sind, die ein Verfahren des Stativs 201 ermöglichen. Um ein ungewolltes Verfahren des Stativs 201 zu verhindern, besitzt der Stativfuß 205 eine Fußbremse 207.
Das eigentliche Stativ 201 umfasst als Stativglieder eine höhenverstellbare Stativsäule 208, einen Tragarm 209, einen Federarm 210 und eine Aufhängung für die optische Beobachtungseinheit 211, welche ihrerseits ein Verbindungselement 213, einen Schwenkarm 215 und einen Haltearm 214 umfasst. Die Freiheitsgrade, welche die Stativglieder zum Positionieren der optischen Beobachtungseinheit 102 zur Verfügung stellen, sind in 2 gezeigt. Der Tragarm 209 ist an seinem einen Ende um eine Achse A drehbar mit der Stativsäule 208 verbunden. Am anderen Ende des Tragarms 209 ist ein Ende des Federarms 210 um eine zur Achse A parallele Achse B drehbar befestigt, so dass der Tragarm 209 und der Federarm 210 einen Gelenkarm bilden. Das andere Ende des Federarms 210 ist von einem Kippmechanismus gebildet (nicht dargestellt), an dem die Aufhängung 211 befestigt ist und der ein Verkippen der Aufhängung 211 um die Achse C ermöglicht.
Die Aufhängung 211 weist eine Drehachse D, eine Schwenkachse E sowie eine Kippachse F auf, um die sich die optische Beobachtungseinheit 102 drehen, schwenken bzw. verkippen lässt. Mit einem Verbindungselement 213 ist die Aufhängung 211 am äußeren Ende des Federarms 210 um die Drehachse D drehbar befestigt. Die Drehachse D erstreckt sich entlang des Verbindungselementes 213. An das Verbindungselement 213 schließt sich ein Schwenkarm 215 an, mit dessen Hilfe sich die optische Beobachtungseinheit 102, genauer gesagt ein am Schwenkarm 215 angebrachter Haltearm 214, an dem die optische Beobachtungseinheit 102 mittels einer Halterung (nicht dargestellt) befestigt ist, um die Schwenkachse E schwenken lässt. Die Schwenkachse E erstreckt sich durch den Schwenkarm 215. Der Winkel zwischen Schwenkarm 215 und Verbindungselement 213, d. h. der Winkel zwischen der Schwenkachse E und der Drehachse D, kann mittels einem zwischen dem Verbindungsteil 213 und dem Schwenkarm 215 angeordneten Verstellmechanismus variiert werden.
Durch den Haltearm 214 verläuft senkrecht zur Darstellungsebene die Kippachse F, die ein Verkippen der optischen Beobachtungseinheit 102 ermöglicht. Die optische Beobachtungseinheit 102 ist mittels einer nicht dargestellten Halterung am Haltearm 214 befestigt.
Die Freiheitsgrade der Aufhängung 211 sowie die Einstellmöglichkeiten der optischen Beobachtungseinheit 102, z. B. Fokussierung, Schärfe, Vergrößerungsfaktor, etc., können über eine Stelleinrichtung 202 eingestellt werden, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Fußschaltpult dargestellt ist. Die Stelleinrichtung 202 kann aber auch als Handschaltelement oder als Kombination von Fuß- und Handschaltelement realisiert sein. Zudem kann eine Fernsteuerung ermöglicht sein.
Direkt am Stativ 201 ist ortsunveränderlich ein Kalibrierobjekt 300 angeordnet, und zwar so, dass es mittels der mit dem Stativ 201 verbundenen Beobachtungseinheit 102 betrachtbar ist. In den 1 und 2 ist das Kalibrierobjekt 300 an der Stativsäule 208 angeordnet. Alternativ kann das Kalibrierobjekt 300 jedoch auch anderweitig am Stativ 201 angeordnet sein, z. B. im Bereich des Stativfußes 205 oder des Tragarms 209. Selbstverständlich können auch mehrere Kalibrierobjekte 300 vorhanden sein.
Das Kalibrierobjekt 300 kann als zweidimensionales Kalibriermuster, z. B. als Schachbrettmuster, oder dreidimensionaler Kalibrierkörper ausgebildet sein. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass das Kalibrierobjekt 300 in die geometrische Struktur des Stativs 201 integriert ist, also einen Teil des Stativs 201 bildet.
Auch wenn das Stativ 201 anhand eines konkreten Beispiels beschrieben worden ist, wird ein Fachmann erkennen, dass auch anders geartete Stative Verwendung finden können.
3 zeigt ein als Operationsmikroskop ausgebildetes optisches Beobachtungsgerät 100 mit demontiertem Tubus. Das Operationsmikroskop weist ein Stativ 201 und eine optische Beobachtungseinheit 102 auf. Das Stativ 201 kann beispielsweise wie zu den 1 und 2 beschrieben ausgebildet sein. Im beleuchteten Bereich des Stativs 201 ist das Kalibrierobjekt 300 ortsunveränderlich angeordnet. Das Kalibrierobjekt 300 kann mittels der optischen Beobachtungseinheit 102 betrachtet werden, so dass Aufnahmen des Kalibrierobjekts 300 zur Durchführung eines Kalibrierverfahrens, z. B. eine Anpassung der Dioptrieeinstellung an einem Okular, angefertigt werden können.
4 zeigt ein als Operationsmikroskop ausgebildetes optisches Beobachtungsgerät 100 mit einem Kalibrierobjekt 300 in Form eines zweidimensionalen Schachbrettmusters. Das Operationsmikroskop weist ein Stativ 201 und eine optische Beobachtungseinheit 102 auf. Das Stativ 201 kann beispielsweise wie zu den 1 und 2 beschrieben ausgebildet sein. Im Bereich des Stativfußes 205 ist das Kalibrierobjekt 300 ortsunveränderlich angeordnet. Beispielsweise kann das Kalibrierobjekt 300 auf dem Stativfuß 205 aufgeklebt sein. Das Kalibrierobjekt 300 kann mittels der optischen Beobachtungseinheit 102 betrachtet werden, so dass Aufnahmen des Kalibrierobjekts 300 zur Durchführung eines Kalibrierverfahrens angefertigt werden können.
5 zeigt ein beispielhaftes Kalibrierobjekt 300, das als 3D-Kalibrierkörper ausgebildet ist. Der Kalibrierkörper weist einen transparenten Körper und im Volumen des transparenten Körpers eingebettete Kalibriermarken auf. Wenigstens einige der Kalibriermarken sind selektiv aktivierbar und deaktivierbar, wobei eine aktivierbare Kalibriermarke im sichtbaren Spektralbereich sichtbar und eine deaktivierte Kalibriermarke im sichtbaren Spektralbereich nicht sichtbar ist. Es versteht sich, dass der transparente Körper in der Regel nicht zu 100 % transparent ist. Auch können Schwankungen in der Transparenz vorliegen. Das Volumen des Kalibrierkörpers soll daher immer dann als transparent angesehen werden, wenn der Michelson-Kontrast im Körper außer an den Stellen, an denen sich die Kalibriermarken befinden, weniger als 0,2, insbesondere weniger als 0,1 beträgt.
Wie in 5 dargestellt, kann ein solcher 3D-Kalibrierkörper im Wesentlichen aus einem Stapel von transparenten Displays 301₁ bis 301₉ aufgebaut sein, die mittels einer Steuerung 302 individuell angesteuert werden können. Jedes Display 301₁ bis 301₉ ist aus einer Mehrzahl von Pixeln 303 aufgebaut, die mittels der Steuerung 302 individuell in einem transparenten oder einen intransparenten Zustand geschaltet werden können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bilden die transparenten Displays 301₁ bis 301₉ einen im Wesentlichen würfelförmigen transparenten Körper, in dem sich die meisten Pixel 303 in einem transparenten Zustand befinden. Die in der Figur schraffiert dargestellten Pixel 303_IT1 bis 303_IT4 befinden sich dagegen in einem intransparenten Zustand. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kommen LCD-Displays 301₁ bis 301₉ zur Anwendung, deren Pixel 303 je nach anliegender Spannung transparent oder intransparent sind. Der Stapel von Displays von 301₁ bis 301₉ wird von einem am unteren Rand des 3D-Kalibrierkörpers angeordneten Beleuchtungspanel 304 mit Lichtquellen 305, die für eine Hintergrundbeleuchtung der Displays 301₁ bis 301₉ sorgen, beleuchtet. Zur Vergleichmäßigung der Beleuchtungsintensität befindet sich zwischen dem Beleuchtungspanel 304 und dem Stapel von Displays 301₁ bis 301₉ eine Diffusorplatte 306.
In der Darstellung aus 5 sind die einzelnen Displays 301₁ bis 301₉ so geschaltet, dass die intransparenten Pixel 303_IT1 bis 303_IT4 in einer Ebene des von den transparenten Displays 301₁ bis 301₉ gebildeten im Wesentlichen würfelförmigen transparenten Körpers liegen, die diagonal durch den Körper verläuft. Sie können jedoch auch beliebig anders geschaltet sein, beispielsweise so, dass sie in einer horizontal verlaufenden Ebene liegen, beispielsweise, in dem nur Pixel des Displays 301₅ intransparent geschaltet werden. Ebenso ist es möglich, Pixel 303 intransparent zu schalten, die auf einer gedachten gekrümmten Fläche liegen.
Zudem ist es nicht notwendig, dass wie in 5 gezeigt, die intransparenten Pixel 303_IT1 bis 303_IT4 konstante Abstände zueinander aufweisen. Stattdessen können Pixel 303 der Displays 301₁ bis 301₉ derart intransparent geschaltet werden, dass die Dichte an intransparenten Pixeln 303_IT1 bis 303_IT4 im Zentrum des 3D-Kalibrierkörpers höher ist als am Rand des 3D-Kalibrierkörpers. Auf diese Weise kann ein Muster aus Kalibriermarken geschaffen werden, welches eine variable Ortsfrequenz aufweist.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, weiter vom Zentrum des 3D-Kalibrierkörpers befindliche Kalibriermarken größer auszugestalten als näher am Zentrum des 3D-Kalibrierkörpers liegende Kalibriermarken. Größere Kalibriermarken können dadurch erreicht werden, dass am Rand befindliche Kalibriermarken von einer größeren Anzahl benachbarter Pixel der Displays 301₁ bis 301₉ gebildet werden als kleine Kalibriermarken. Durch die Verwendung eines Musters, das unterschiedlich große Kalibriermarken aufweist, kann erreicht werden, dass bei unterschiedlichen Zoomstufen die Kalibriermarken in den mit den unterschiedlichen Zoomstufen aufgenommenen Bildern im Wesentlichen dieselbe Größe und für die Kalibrierung geeignete Abstände aufweisen.
Bei hohen Zoomstufen ist lediglich ein kleiner Ausschnitt im Bild sichtbar, beispielsweise das Zentrum des 3D-Kalibrierkörpers, bei niedrigen Zoomstufen dagegen der gesamte Kalibrierkörper. Zudem zeigen hohe Zoomstufen kleinere Strukturen als niedrige Zoomstufen, so dass bei einer hohen Zoomstufe die kleinen, dicht beieinander liegenden, kleinen Kalibriermarken im Zentrum des Musters Verwendung finden können und bei niedrigen Zoomstufen die weniger dicht beieinander liegenden, größeren Kalibriermarken am Rand des Musters. Dabei besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit, dass einem Muster an Kalibriermarken mit einer variablen Ortsfrequenz, also mit Abständen der Kalibriermarken voneinander, die über den Kalibrierkörper variieren, ein Muster mit konstanter Ortsfrequenz, also ein Muster mit konstanten Abständen zwischen den Kalibriermarken im gesamten Kalibrierkörper überlagert wird.
Alternativ zu den bisher beschriebenen Mustern besteht auch die Möglichkeit, mit Hilfe der Displays 301₁ bis 301₉ selbstähnliche Muster an Kalibriermarken zu generieren. Beispielsweise kann ein schachbrettartiges Muster aus Kalibriermarken gebildet sein, wobei die Kalibriermarken durch eine quadratische Fläche gebildet sein können, in der eine Anzahl an Pixel 303 intransparent geschaltet ist. Zwischen diesen Kalibriermarken befinden sich gleichgroße quadratische Flächen, in denen alle Pixel 303 transparent geschaltet sind.
In einer Kalibriermarke sind jedoch nicht alle Pixel 303 intransparent geschaltet, sondern die Kalibriermarke selbst stellt wiederum ein schachbrettartiges Muster aus nun kleineren quadratischen Kalibriermarken mit dazwischen befindlichen gleichgroßen transparenten quadratischen Flächen dar. Auch die kleineren Kalibriermarken können durch einen Displaybereich gebildet sein, in dem eine Anzahl an Pixeln 303 intransparent geschaltet ist und eine Anzahl an Pixeln 303 transparent. Auf diese Weise besteht jede der kleinen Kalibriermarken wiederum noch aus einem schachbrettartigen Muster, welches aus noch kleineren Kalibriermarken mit dazwischen liegenden transparent geschalteten Pixelbereichen gebildet ist.
Dies kann solange fortgeführt werden, bis ein schachbrettartiges Muster aus einzelnen abwechselnd transparent und intransparent geschalteten Pixeln 303 der Displays 301₁ bis 301₉ vorliegt. Das Muster kann entweder ein Muster sein, das innerhalb eines einzigen Displays 301₁ bis 301₉ gebildet wird, oder ein Muster, dass von mehreren Displays 301₁ bis 301₉ gemeinsam gebildet wird, wie beispielsweise das in 5 gezeigte Muster. In diesem Fall ist natürlich die Anzahl transparenter Displays 301₁ bis 301₉ erheblich höher als dies in 5 dargestellt ist.
Die beschriebenen Muster sind nicht auf die Verwendung in einem 3D-Kalibierkörper beschränkt, sondern können in jedem Kalibrierobjekt Verwendung finden, beispielsweise auch in einem flächigen Kalibrierobjekt.
Ein weiteres Beispiel für ein Kalibrierobjekt 300 in Form eines 3D-Kalibrierkörper ist in 6 dargestellt. Auch dieser Kalibrierkörper ist wieder im Wesentlichen würfelförmig und aus transparenten Schichten aufgebaut. Im Unterschied zum 3D-Kalibrierkörper aus 5 besteht der 3D-Kalibrierkörper aber nicht aus einem Stapel von transparenten Displays, sondern ist aus gestapelten Lichtleitern 307₁ bis 307₅ aufgebaut. Die Lichtleiter 307₁ bis 307₅ sind durch einander abwechselnde transparente Schichten 308, 309 gebildet, wobei die Schichten 309₁ bis 309₅ einen höheren Brechungsindex als die dazwischen angeordneten Schichten 308₁ bis 308₅ aufweisen. In die Schichten 309₁ bis 309₅ wird mittels selektiv schaltbarer Lichtquellen 310₁ bis 310₅ Licht derart eingekoppelt, dass es an den Grenzflächen zwischen den Schichten 308 und 309 total reflektiert wird. Die Totalreflektion kann erreicht werden, in dem der hohe Brechungsindex der Schichten 309₁ bis 309₅ und der niedrige Brechungsindex der Schichten 308₁ bis 308₅ sowie die Einstrahlrichtung des Lichtes derart aneinander angepasst werden, dass der Grenzwinkel für Totalreflektion überschritten wird.
Aufgrund der Totalreflektion an den Grenzflächen zwischen den Schichten 308 und 309 erfolgt eine Lichtausbreitung, d. h. ein Ausbreiten der elektromagnetischen Wellen des Lichtes, nur innerhalb der jeweiligen Lichtleiter 307₁ bis 307₅ . In den Schichten 308₁ bis 308₅ mit dem niedrigen Brechungsindex nehmen die elektromagnetischen Felder des Lichtes dagegen exponentiell ab, so dass keine Ausbreitung des Lichtes in diesen Schichten stattfindet. Die exponentiell abklingenden elektromagnetischen Fehler werden auch evaneszente Felder genannt.
Um in den Lichtleitern 307₁ bis 307₅ des 3D-Kalibrierkörpers Kalibriermarken darstellen zu können, sind in bestimmten Abständen auf den Schichten 309₁ bis 309₅ dünne Filme 311 aufgebracht. Der Brechungsindex dieser Filme 311 ist dabei so gewählt, dass an diesen Stellen die Totalreflektion unterdrückt wird, so dass eine Lichtausbreitung in die Schichten 308₁ bis 308₅ mit niedrigem Brechungsindex stattfindet. Hierzu weist der Brechungsindex der Filme 311 beispielsweise einen Wert auf, der zwischen dem hohen Brechungsindex der Schichten 309 und dem niedrigen Brechungsindex der Schichten 308 liegt.
Wenn nun Licht in einem der Lichtleiter 307₁ bis 307₅ eingekoppelt wird, wird das Licht an denjenigen Stellen, an denen die Filme 311 aufgebracht sind, aus dem Lichtleiter 307₁ bis 307₅ ausgekoppelt, so dass leuchtende Stellen im Volumen des aus den Schichten 308, 309 aufgebauten transparenten Körpers entstehen, die als Kalibriemarken dienen. Abhängig davon, welche Lichtquelle 310₁ bis 310₅ eingeschaltet ist, entstehen die leuchtenden Stellen in unterschiedlichen Tiefen des transparenten Körpers. Um individuell auswählen zu können, in welcher Tiefe Kalibriermarken dargestellt werden sollen, sind die einzelnen Lichtquellen 310₁ bis 310₅ mittels einer Steuerung 302 selektiv aktivierbar und deaktivierbar.
In dem in 6 dargestellten Beispiel erfolgt das Auskoppeln von Licht aus den Lichtleitern 307₁ bis 307₅ dadurch, dass lokal Filme 311 mit einem geeigneten Brechungsindex auf die Schichten 309 mit dem hohen Brechungsindex aufgebracht werden. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, eine Auskoppelung zu erreichen, indem der Auftreffwinkel des Lichtes auf die Grenzfläche zwischen den Schichten 308 und 309 lokal so verändert wird, dass an den entsprechenden Stellen der Grenzwinkel für Totalreflektion unterschritten wird. Eine lokale Veränderung der Auftreffwinkel kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass die Orientierung der Grenzfläche zwischen den Schichten 308 und 309 lokal mittels Laser, mittels Prägens, mittels Bohrens, mittels Ätzens oder mittels anderer geeigneter Strukturierungsverfahren strukturiert wird.
Hinsichtlich der Filme 311, mit deren Hilfe die Auskopplung vorgenommen wird, besteht auch die Möglichkeit, die Auskopplung nicht über die geeignete Wahl eines Brechungsindex zu generieren, sondern dadurch, dass die evaneszenten Felder in den dünnen Filmen eine Emission elektromagnetischer Wellen induzieren, beispielsweise indem sie Fluoreszenz anregen.
Die 7 bis 11 zeigen Ablaufschemata beispielhafter Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Beobachtungsgeräts 100. Das optische Beobachtungsgerät 100 ist als Operationsmikroskop ausgebildet und weist ein Stativ 201 auf, mit dem die optische Beobachtungseinheit 102 des Operationsmikroskops verbunden ist. Direkt am Stativ 201 ist ortsunveränderlich ein Kalibrierobjekt 300 angeordnet. Das Operationsmikroskop kann beispielsweise wie vorstehend mit Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben ausgebildet sein. Das Kalibrierobjekt kann als zweidimensionales Kalibriermuster oder dreidimensionaler Kalibrierkörper ausgebildet sein oder ein Teil des Stativs 201 sein.
Das mit Bezug auf 7 beispielhaft beschriebene Verfahren dient der Anpassung einer Dioptrieeinstellung an einem Okular 104 der optischen Beobachtungseinheit 102. Nach dem Start des Verfahrens, z. B. durch Betätigung eines Schalters oder Tasters durch den Nutzer, richtet sich die optische Beobachtungseinheit 102 im Schritt S1 bezüglich des Kalibrierobjekts 300 automatisiert aus, so dass das Kalibrierobjekt 300, bei dem es sich um ein zweidimensionales Kalibriermuster handelt, mittels der optischen Beobachtungseinheit 102 betrachtbar ist. Das Ausrichten kann z. B. durch Anfahren einer vorgebbaren Referenzposition mittels des motorischen Stativs 201 erfolgen.
Im nachfolgend oder zeitgleich zu Schritt S1 ausführbaren Schritt S2 stellt die optische Beobachtungseinheit 102 selbsttätig ihre maximale Vergrößerung ein.
Im Schritt S3 wird das Kalibrierobjekt 300 beleuchtet oder es wird, falls es sich um ein selbstleuchtendes Kalibrierobjekt handelt, aktiviert. Im Falle einer zu ungenauen Positionierung in z-Richtung (Z-Richtung verläuft parallel zur optischen Achse des Operationsmikroskops) kann das Operationsmikroskop nachfokussieren, z. B. mittels Varioskop und Bildauswertung.
Im Schritt S4 wird eine Aufnahme, z. B. eine Fotoaufnahme, des Kalibrierobjekts 300 mittels der Kamera 103 der optischen Beobachtungseinheit 102 angefertigt.
Im Schritt S5 wird die angefertigte Aufnahme ausgewertet, so dass im Schritt S6 der Fokus eingestellt werden kann. Im Schritt S7 stellt sich der Zoomobjektiv des Operationsmikroskops auf die kleinste Vergrößerung und der Nutzer wird dazu aufgefordert, das ihm angezeigte Bild scharf zu stellen. Damit ist das Verfahren beendet.
Nachdem der Nutzer den Augenabstand angepasst hat, kann er durch das Okular blicken und beide Teilbilder durch Drehen des Dioptrieneinstellrings am Okular scharf stellen.
In 8 ist ein beispielhaftes Ablaufschema eines weiteren Verfahrens zum Kalibrieren eines optischen Beobachtungsgeräts 100 dargestellt. Das Kalibrierverfahren dient der Kalibrierung von Kameras der optischen Beobachtungseinheit 102 des optischen Beobachtungsgeräts 100. Das Kalibrierobjekt ist in diesem Beispiel als dreidimensionaler Kalibrierkörper ausgebildet, wie z. B. vorstehend mit Bezug auf die 5 und 6 beschrieben.
Nach dem Start des Verfahrens richtet sich die optische Beobachtungseinheit 102 im Schritt S1 bezüglich des Kalibrierobjekts 300 aus, so dass das Kalibrierobjekt 300 mittels der optischen Beobachtungseinheit 102 betrachtbar ist. Das Ausrichten kann z. B. durch Anfahren einer vorgebbaren Referenzposition mittels des motorischen Stativs 201 erfolgen.
Im Schritt S3 wird das Kalibrierobjekt 300 beleuchtet oder es wird, falls es sich um ein selbstleuchtendes Kalibrierobjekt handelt, aktiviert. Im Schritt S4 werden Aufnahmen, z. B. Fotoaufnahmen, des Kalibrierobjekts 300 mittels der Kamera 103 der optischen Beobachtungseinheit 102 angefertigt. Hierbei können ggf. Aufnahmen bei verschiedenen Fokusebenen angefertigt werden.
Im Schritt S5 werden die angefertigten Aufnahmen ausgewertet. Beispielsweise kann die relative Position der optischen Beobachtungseinheit 102 bezüglich des Kalibrierobjekts 300 ermittelt werden. Im Schritt S8 können nun verschiedene Kalibrierungsschritte durchgeführt werden, z. B. kann ein der ermittelten relativen Position entsprechender Korrekturfaktor ermittelt und in Algorithmen einbezogen werden oder es kann eine entsprechende Einstellungsanpassung vorgenommen werden. Damit ist das Verfahren beendet.
9 zeigt ein Ablaufschema eines weiteren Verfahrens zum Kalibrieren eines optischen Beobachtungsgeräts 100, das der intrinsischen Kalibrierung einer Umfeldkamera 103 für die Nachverfolgung von Instrumenten dient. Die Umfeldkamera 103 weist eine feste Fokusweite auf und verfügt über kein Zoomsystem. Das Kalibrierobjekt ist als Schachbrettmuster ausgebildet.
Nach dem Start des Verfahrens richtet sich die optische Beobachtungseinheit 102 im Schritt S1 bezüglich des Kalibrierobjekts 300 aus, so dass das Kalibrierobjekt 300 mittels der Umfeldkamera 103 betrachtbar ist, sich also im Sichtfeld der Umfeldkamera 103 befindet. Das Ausrichten kann z. B. durch Anfahren einer vorgebbaren Referenzposition mittels des motorischen Stativs 201 erfolgen. Im Schritt S3 wird das Kalibrierobjekt 300 beleuchtet oder es wird, falls es sich um ein selbstleuchtendes Kalibrierobjekt handelt, aktiviert.
Im Schritt S4 wird eine Fotoaufnahme des Kalibrierobjekts 300 mittels der Umfeldkamera 103 der optischen Beobachtungseinheit 102 angefertigt. Im nachfolgenden Schritt S9 wird das aufgenommene Bild bzw. die Fotoaufnahme gespeichert, z. B. in einer einer Datenverarbeitungseinheit des optischen Beobachtungsgeräts 100 zugeordneten Speichereinheit.
Im Schritt S10 wird die optische Beobachtungseinheit 102 relativ zum Kalibrierobjekt 300 bewegt. Beispielsweise kann der Betrachtungswinkelwinkel gekippt werden. Anschließend geht das Verfahren zurück zu Schritt S4 und es wird erneut eine Aufnahme des Kalibrierobjekts 300 angefertigt. Die Schritte S4, S9 und S10 werden solange wiederholt, bis Aufnahmen des Kalibrierobjekts 300 im kompletten Bildbereich der Umfeldkamera 103 mit verschiedenen Winkeln angefertigt und gespeichert wurden. Ist dies der Fall, geht das Verfahren vom Schritt S10 weiter zum Schritt S5.
Im Schritt S5 werden die angefertigten Aufnahmen ausgewertet, d. h. es wird die intrinsische Kalibrierung aus den aufgenommenen Bildern berechnet und in der Umfeldkamera 103 oder der Speichereinheit gespeichert. Im optionalen Schritt S11 kann ein Aufnahmeprotokoll angefertigt werden, in dem z. B. die Bewegungen der optischen Beobachtungseinheit 102 vermerkt sind, so dass bei jeder weiteren intrinsischen Kalibrierung die gleichen Bewegungen ausgeführt werden können.
In einer Variante des bezugnehmend auf 9 beschriebenen Verfahrens kann eine Hand-Auge-Kalibrierung durchgeführt werden. Im Unterschied zur vorstehend mit Bezug auf 9 beschriebenen intrinsischen Kalibrierung kann zusätzlich der sog. Tool Center Point (TCP) des optischen Beobachtungsgeräts 100 mit jedem Bild gespeichert und bei der Ermittlung von Korrekturfaktoren mit einbezogen werden. Unter dem Tool Center Point kann ein am Ende einer kinematischen Kette des Zielsystems, also am Endeffektor, gelegener Punkt bezeichnet werden, für den die aus einer gestellten Aufgabe resultierenden Positionieranforderungen gelten, verstanden werden.
Mittels der Hand-Auge-Kalibrierung kann ermittelt werden, wie die Bildebene (Chip) der Kamera physikalisch zum TCP montiert ist. Dies stellt eine extrinsische Kalibration dar. Dazu werden Aufnahmen des Kalibrierobjekts gemacht, wobei zu jeder Aufnahme auch die Position des TCP festgehalten wird. Bei der nächsten Aufnahme werden der Betrachtungswinkel und damit auch der TCP geändert, so dass Wertepaare resultieren, die eine Schätzung der Kameraposition relativ zum Kalibrierobjekt und dem jeweiligen TCP umfassen. Daraus kann durch mathematische Optimierungsverfahren die absolute und fixe Position der Bildebene zum TCP berechnet werden. Eine beispielhafte Berechnungsmethode kann der folgenden Veröffentlichung entnommen werden: „A New Technique for Fully Autonomous and Efficient 3D Robotics Hand/Eye Calibration‟, Tsai and Lenz, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 5, No. 3, Juni 1989.
In 10 ist ein beispielhaftes Ablaufschema eines weiteren Verfahrens zum Kalibrieren eines optischen Beobachtungsgeräts 100 dargestellt. Das Kalibrierverfahren dient der Kalibrierung von internen Kameras der optischen Beobachtungseinheit 102 des optischen Beobachtungsgeräts 100 für Topographie- und/oder Augmentierungsanwendungen. Dieses Verfahren kann unter Annahme durchgeführt werden, dass das optische Beobachtungsgerät 100 bereits nach Fertigung im Werk intrinsisch und extrinsisch kalibriert wurde und vor Ort lediglich eine Nachkalibrierung gemäß der nachfolgenden Beschreibung, z. B. täglich vor der ersten Verwendung oder nach einer Instandhaltung und/oder Wartung des optischen Beobachtungsgeräts 100, durchgeführt wird.
Nach dem Start des Verfahrens richtet sich die optische Beobachtungseinheit 102 im Schritt S1 bezüglich des Kalibrierobjekts 300 aus, so dass das Kalibrierobjekt 300 mittels der optischen Beobachtungseinheit 102 betrachtbar ist. Das Ausrichten kann z. B. durch Anfahren einer vorgebbaren Referenzposition mittels des motorischen Stativs 201 erfolgen.
Im optionalen Schritt S3 wird das Kalibrierobjekt 300 beleuchtet oder es wird, falls es sich um ein selbstleuchtendes Kalibrierobjekt handelt, aktiviert. Im Schritt S4 werden Aufnahmen, z. B. Fotoaufnahmen, des Kalibrierobjekts 300 mittels der internen Kamera 103 der optischen Beobachtungseinheit 102 angefertigt.
Im Schritt S5 werden die angefertigten Aufnahmen ausgewertet. Beispielsweise können Korrekturfaktoren berechnet und aktualisiert werden. Damit ist das Verfahren beendet.
In 11 ist ein beispielhaftes Ablaufschema eines weiteren Verfahrens zum Kalibrieren eines optischen Beobachtungsgeräts 100 dargestellt. Das Kalibrierverfahren dient der Kalibrierung der Kinematik des Stativs 201 des optischen Beobachtungsgeräts 100. Hierfür sind an oder nahe der Basis des Stativs 201 ein oder mehrere Kalibrierobjekte angeordnet, deren Positionen auf dem Stativ 201 und Positionierung zueinander bekannt sind.
Nach dem Start des Verfahrens richtet sich die optische Beobachtungseinheit 102 im Schritt S1 bezüglich des Kalibrierobjekts 300 aus, so dass das Kalibrierobjekt 300 mittels der optischen Beobachtungseinheit 102 betrachtbar ist. Das Ausrichten erfolgt mittels des motorischen Stativs 201.
Im optionalen Schritt S3 wird das Kalibrierobjekt 300 beleuchtet oder es wird, falls es sich um ein selbstleuchtendes Kalibrierobjekt handelt, aktiviert. Im Schritt S4 wird eine Aufnahme, z. B. eine Fotoaufnahme, des Kalibrierobjekts 300 mittels einer Kamera 103 der optischen Beobachtungseinheit 102 angefertigt.
Im Schritt S5 wird die angefertigte Aufnahme ausgewertet und es wird die Position der optischen Beobachtungseinheit 102 relativ zum Kalibrierobjekt 300 ermittelt. Anschließend kann das Verfahren zurück zu Schritt S1 gehen und es wird eine neu, vorher noch nicht eingenommene Position relativ zum Kalibrierobjekt 300 eingenommen, d. h. die optische Beobachtungseinheit 102 wird erneut ausgerichtet.
Wurde für das erste Kalibrierobjekt 300 die Schritte S1 bis S5 ausreichend oft durchgeführt, d. h. wurde eine ausreichende Anzahl unterschiedlicher Orientierungen zwischen optischer Beobachtungseinheit 102 und Kalibrierobjekt 300 analysiert, geht das Verfahren weiter zu Schritt S12. Im Schritt S12 werden die Schritte S1 bis S5 je nach Bedarf für jedes weitere Kalibrierobjekt wiederholt, sofern mehrere Kalibrierobjekte genutzt werden.
Im Schritt S13 werden die Parameter der Kinematik des Stativs 201 derart ermittelt und optimiert, dass die gemessenen Positionen relativ zum Kalibrierobjekt den von der Kinematik berechneten Werten entsprechen.
In einer Variante können auch eine Kalibrierung der Kamera 103 und der Kinematik gleichzeitig durchgeführt werden, indem die Kameraparameter zusätzlich in die Optimierung mit einfließen. Die Orientierungen, mit denen das optische Beobachtungsgerät 100 bezüglich des bzw. der Kalibrierobjekte ausrichtet, können fest vorgegeben sein oder anhand bisheriger Ergebnisse online ermittelt werden. Dadurch kann der Einfluss von noch unbekannten oder nicht optimalen Parametern auf das Ergebnis erhöht und damit die Anzahl an noch notwendigen Orientierungen so gering wie möglich gehalten werden.
Das bzw. die Kalibrierobjekte 300 müssen nicht notwendigerweise an der Basis des Stativs 201 angeordnet sein. Alternativ können sie auch an einer beliebigen anderen Stelle des Stativs 201 angeordnet sein. Damit lassen sich zwar nur noch die kinematischen Parameter der Stativglieder zwischen dem Kalibrierobjekt 300 und der optischen Beobachtungseinheit 102 kalibrieren, aber diese können dafür unabhängig von den sonstigen Parametern kalibriert werden. Selbstverständlich sind auch eine beliebige Kombination von Positionen der Kalibrierobjekte 300 und/oder ein mehrstufiges Vorgehen möglich, um den Zeitaufwand für die Kalibrierung der Stativkinematik optimieren zu können.
Die vorliegende Erfindung wurde zu Erläuterungszwecken anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Ein Fachmann erkennt jedoch, dass er von Details dieser Ausführungsbeispiele abweichen kann.
Da für einen Fachmann erkennbar von den einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispielen abgewichen werden kann, soll die vorliegende Erfindung nicht durch die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.
Bezugszeichenliste

100: optisches Beobachtungsgerät
102: optische Beobachtungseinheit
103: Kamera
104: Okular
201: Stativ
202: Stelleinrichtung
205: Stativfuß
206: Rollen
207: Fußbremse
208: Stativsäule
209: Tragarm
210: Federarm
211: Aufhängung für die optische Beobachtungseinheit
213: Verbindungselement
214: Haltearm
215: Schwenkarm
300: Kalibrierobjekt
3011 bis 3019: transparentes Display
302: Steuerung
303: Pixel
303IT1 bis 303IT4: intransparentes Pixel
304: Beleuchtungspanel
305: Lichtquelle
306: Diffusorplatte
3071 bis 3075: Lichtleiter
3081 bis 3085: transparente Schicht mit niedrigem Brechungsindex
3091 bis 3095: transparente Schicht mit hohem Brechungsindex
3101 bis 3105: Lichtquelle
311: Film
401: Steuereinheit
403: Steuersignal
404: Steuersignal
A: Drehachse
B: Drehachse
C: Kippachse
D: Drehachse
E: Schwenkachse
F: Kippachse
S1 bis S13: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2017/0066131 A1 [0017]
DE 102016225613 A1 [0019]
DE 102018115824 [0037]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„A New Technique for Fully Autonomous and Efficient 3D Robotics Hand/Eye Calibration‟, Tsai and Lenz, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 5, No. 3, Juni 1989 [0120]

Claims

Stativ (201) für eine optische Beobachtungseinheit (102) mit einem ortsunveränderlich direkt an dem Stativ (201) angeordneten Kalibrierobjekt (300).
Stativ (201) nach Anspruch 1, wobei das Kalibrierobjekt (300) ein zweidimensionales Kalibriermuster, ein dreidimensionaler Kalibrierkörper oder ein Teil des Stativs (201) ist.
Optisches Beobachtungsgerät (100), aufweisend: - ein Stativ (201) nach Anspruch 1 oder 2 und - eine mit dem Stativ (201) verbundene optische Beobachtungseinheit (102).
Optisches Beobachtungsgerät (100) nach Anspruch 3, aufweisend: - eine Steuereinheit (401), eingerichtet und ausgebildet zum Ausgeben von Steuersignalen (403, 404) an das Stativ (201) und/oder die optische Beobachtungseinheit (102) zur Durchführung eines Kalibrierverfahrens.
Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Beobachtungsgeräts (100) nach Anspruch 3 oder 4, aufweisend: - S4: Anfertigen von Aufnahmen des Kalibrierobjekts (300) mittels Kameras (103) der optischen Beobachtungseinheit (102) und - S5: Auswerten der angefertigten Aufnahmen.
Verfahren nach Anspruch 5, aufweisend: - S1: Ausrichten, bevorzugt automatisiertes Ausrichten, der optischen Beobachtungseinheit (102) bezüglich des Kalibrierobjekts (300).
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, aufweisend: - Verwenden der ausgewerteten Aufnahmen zum Durchführen einer Anpassung einer Dioptrieeinstellung an einem Okular (104) der optischen Beobachtungseinheit (102).
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, aufweisend: - Verwenden der ausgewerteten Aufnahmen in einer Kalibrierung von Kameras (103) der optischen Beobachtungseinheit (102).
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, aufweisend: - Verwenden der ausgewerteten Aufnahmen in einer intrinsischen Kalibrierung und/oder in einer Hand-Auge-Kalibrierung von Kameras (103) der optischen Beobachtungseinheit (102).
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, aufweisend: - Verwenden der ausgewerteten Aufnahmen in einer extrinsischen Kalibrierung interner Kameras (103) für Topographie- und/oder Augmentierungsanwendungen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, aufweisend: - Verwenden der ausgewerteten Aufnahmen in einer Kalibrierung einer Kinematik des Stativs (201).
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass ein optisches Beobachtungsgerät (100) nach Anspruch 3 oder 4 ein Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11 ausführt.