DE19507344A1 - Verfahren zur Erzeugung des stereoskopischen Bildes eines Objektes sowie Anordnung zur stereoskopischen Betrachtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung des stereoskopischen Bildes eines Objektes sowie eine Anordnung zur stereoskopischen Betrachtung.

Sie ist in herkömmlichen Durch- und Auflichtmikroskopen, insbesondere in einkanaligen mikroskopischen Systemen, vorzugsweise für stereoskopische Beobachtung eines Videobildes anwendbar.

Die bekannten stereomikroskopischen Anordnungen beruhen auf zwei getrennten, jeweils einem Auge zugeordneten mikroskopischen Strahlengängen. Die üblichen Anordnungen sind der Greenough-Typ bzw. der Galilei-Typ. Ihr gemeinsamer Nachteil liegt in der Begrenzung der mikroskopischen Auflösung, so daß Aperturen < 0,1 nur mit hohem Aufwand möglich sind. Dies ist darin begründet, daß bei Stereanordnungen große Arbeitsabstände gewünscht werden und bei den üblichen Anordnungen durch den erforderlichen Winkel für die Stereobetrachtung, die zwei getrennten Strahlengänge und die Fassungsteile der beiden Strahlengänge bei handhabbarer Dimensionierung der Optik nur für geringe Aperturen Raum vorhanden ist.

Im DE 43 11 603 wird ein Stereomikroskop bei hohen Vergrößerungen an der Auflösungsgrenze vorgeschlagen, bei dem im dingseitigen Strahlengang eines einobjektivigen Lichtmikroskopes in der Objektebene ein Objekttranslator und im abbildungsseitigen Strahlengang ein Strahlengangsumschalter angeordnet sind. Nachteilig ist hierbei der Objekttranslator, dessen Bewegung zu Schwingungen des gesamten Mikroskopes führen kann, besonders bei hohen Objektmassen.

Im US-Patent 4 561 731 bzw. DE 31 08 389 wird ein pseudostereoskopischer Effekt mit Hilfe einer sogenannten Differentia-Polarisationsbeleuchtung erzeugt. Für die Beleuchtung sind zwei separate Lichtquellen vorgesehen.

Ein echtes stereoskopisches Bild soll dagegen in DE 31 08 389 dadurch erzeugt werden, daß im Lichtpfad der Okulare jeweils Polarisatoren sowie zwischen Objektiv und Objekt eine Doppelbrechungsplatte angeordnet sind, wobei der einzige Beleuchtungsstrahlenweg abwechselnd unterschiedlich polarisiert wird.

Eine ähnliche Anordnung ist in WO 94/02872 beschrieben. Auch hier werden zwei Lichtquellen und zwei Beleuchtungsstrahlengänge eingesetzt.

Dies trifft auch auf ein Operationsmikroskop gemäß DD-A52 90 278 zu, wobei zwei diametral einander gegenüberliegende Beleuchtungssysteme geneigt zur optischen Achse vorgesehen sind und das mit dem rechten Okular beobachtete Bild dem ersten Beleuchtungssystem und das mit dem linken Okular beobachtete Bild dem zweiten Beleuchtungssystem zugeordnet wird.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, die stereoskopische Beobachtung mikroskopischer Bilder mit hoher Auflösung in normalen Durch- sowie Auflichtmikroskopen, besonders in einkanaligen mikroskopischen Systemen, mit geringem zusätzlichem Aufwand und Platzbedarf auf der Objektseite zu realisieren.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anordnung gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die stereoskopische Beobachtung mikroskopischer Bilder mit hoher Auflösung erfolgt, indem in der Aperturblendenebene des Beleuchtungsstrahlenganges (oder Bild der Eintrittspupille des Objektives) ein Lichtmodulator eingesetzt wird, der den Schwerpunkt des Beleuchtungsstrahlenbündels so in zwei Stellungen taktweise verschiebt, daß mit der maximal möglichen Apertur das Objekt mit dem für Stereobetrachtung erforderlichen Winkel beleuchtet wird, und weiterhin Mittel zur alternierenden Darstellung der beiden Bilder des stereoskopischen Bildpaares auf einer Bildwiedergabevorrichtung vorgesehen sind, wobei die Taktung der Bildwiedergabevorrichtung synchron mit der Taktung des Lichtmodulators erfolgt und die Folgefrequenz einen flimmerfreien Bildeindruck ermöglicht.

Vorteilhaft kann in einer Anordnung als Lichtmodulator eine Flüssigkristallzelle eingesetzt werden.

Vorteilhaft ist der Einsatz einer Flüssigkristallzelle, die den ferroelektrischen Effekt ausnutzt.

Einen anderen vorteilhaften Lichtmodulator stellen zwei dicht übereinander angeordnete Gitter mit einem Teilungsverhältnis 1 : 1 dar. Die Gestaltung des Gittermusters wird so vorgenommen, daß bei Einsatz in der Aperturblende und Bewegung eines der beiden Gitter gegenüber dem anderen jeweils eine der beiden Aperturblendenhälften wechselweise geöffnet und geschlossen wird, bzw. bei Einsatz in dem Binokulartubus das Licht wechselweise in den einen oder anderen Ausgang eines Binokulartubus treten kann. Dabei wird die Gitterkonstante so abgestimmt, daß die 1. Beugungsordnung die gewünschte Objektinformation nicht stört.

Die Lichtausbeute dieser Anordnung ist aufgrund der nicht erforderlichen Polarisationsfolien für die Flüssigkristallmodulation höher als die der zuvor beschriebenen Varianten.

Weitere Vorteile und die Wirkungsweise der Erfindung werden nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Bild 1a Eine erfindungsgemäße mikroskopische Anordnung mit Durchlichtbeleuchtung,
Bild 1b Eine erfindungsgemäße mikroskopische Anordnung mit Auflichtbeleuchtung,
Bild 2 Die durch eine erfindungsgemäße Anordnung erzeugten Lichtverhältnisse in der Ebene der Aperturblende des Mikroskopes,
Bild 3 Die Ausbildung einer Flüssigkristallzelle zur Realisierung der Erfindung,
Bild 4 Die Ausbildung einer weiteren Flüssigkristallzelle mit unterschiedlichen Bereichen für unterschiedliche Objektive,
Bild 5 Eine Anordnung zur Erzeugung der Teilstrahlenbündel der Beleuchtung mit zwei Strichgittern,
Bild 6 Die Zuordnung der Strahlengänge in einem Binokulartubus.

Ein erfindungsgemäße Mikroskop mit Durchlichtbeleuchtung zeigt Bild 1a. Es setzt sich wie üblich aus einer nicht dargestellten Lichtquelle, Kollektor, Kondensor 1 und Objektiv 2 zusammen. Das Objektiv 2 bildet ein Bild des Objektes 3 über die Tubuslinse und Abbildungsoptik 4 auf eine Videokamera 5 ab. Durch den erfindungsgemäßen Lichtmodulator 6 in der Ebene der Aperturblende (oder des Bildes der Eintrittspupille des Objektives) wird der Schwerpunkt des Beleuchtungsstrahlenbündels so in zwei Stellungen taktweise verschoben, daß die Strahlbündel 7 und 8 entstehen und damit das Objekt mit dem für Stereobetrachtung erforderlichen Winkel mit einer möglichst hohen Apertur beleuchtet, ohne daß die Beobachtungsapertur unnötig begrenzt wird. Ein Taktgenerator 11 steuert den Lichtmodulator 6 und eine Videokamera 5 so, daß jeweils eines der beiden Bilder eines stereoskopischen Bildpaares aufgenommen wird. Die Darstellung der dreidimensionalen Abbildung erfolgt über einen elektronischen Bildschirm 9, der über die Videokamera 5 zur Wiedergabe der beiden Bilder als fernsehtechnische Halbbilder getaktet wird. Die Betrachtung des Bildschirmes erfolgt mit einer Shutterbrille 10. Ein Geber 12 (z. B. eine LED) am Bildschirm sendet gesteuert vom Taktgenerator 11 Lichtsignale, die von einem Sensor 13 an der Shutterbrille empfangen werden. Der Sensor 13 steuert die Umschaltung der Öffnungen der Shutterbrille, so daß jedes Auge im Takt des Lichtmodulators jeweils ein Bild des stereoskopisches Bildpaares sieht, wobei die Folgefrequenz einen flimmerfreien Bildeindruck ermöglicht. Anstelle der Shutterbrille kann der Beobachter auch eine Polarisationsbrille tragen, wenn ein elektronischer Bildschirm verwendet wird, der ein schaltbares Polarisationsfilter besitzt, das mit dem Wechsel der stereoskopischen Halbbilder vom Taktgenerator 11 getriggert wird.

Prinzipiell kann auch ohne Videokamera und Monitor dreidimensional beobachtet werden, indem der Beobachter zwar mit einer Shutterbrille ausgerüstet ist, aber durch je ein Okular eines binokolaren Tubusses blickt. Der Taktgenerator muß dann den Lichtmodulator und die Shutterbrille synchron takten.

Weiterhin kann in an sich bekannter Weise vor jedem Auge des Beobachters ein separater Bildschirm angeordnet sein, wobei die Bildschirme mittels des Taktgenerators zur Lichtmodulation synchron getaktet werde.

Bild 1b zeigt eine erfindungsgemäße mikroskopische Anordnung in Auflichtbeleuchtung. Die Beleuchtungsoptiken 1 beleuchten das Objekt 3 über einen Strahlteiler 14, wobei die Strahlbündel 7 und 8 mit dem für die Stereobetrachtung erforderlichen Winkel auf das Objekt gelangen.

Bild 2 zeigt die Lichtverhältnisse in der Ebene der Aperturblende (oder dem Bild der Eintrittspupille des Objektives), die der erfindungsgemäße Lichtmodulator erzeugt. 21 stellt die gesamte Eintrittspupille des Objektives dar. In einem Takt wird durch das Beleuchtungsbündel die Fläche 22 und im folgenden Takt die Fläche 23 der Eintrittspupille lichtdurchlässig. Die Schwerpunkte der jeweiligen Bündel sind innerhalb der Beleuchtungsapertur so einstellbar, daß das Objekt mit dem für Stereobetrachtung erforderlichen Winkel beleuchtet wird. Durch die Kreiszweiecke wird dabei jeweils die Beleuchtungsapertur möglichst optimal ausgeschöpft, die Beobachtungsapertur bleibt uneingeschränkt, so daß eine hohe mikroskopische Auflösung erzielt wird.

Bild 3 zeigt die Elektrodenkonfiguration eines erfindungsgemäßen Lichtmodulators auf der Basis einer Flüssigkristallzelle. Durch eine geeignete Spannung an den transparenten Elektroden 31 und 33 wird das Lichtbündel 22 realisiert, im nächsten Takt wird diese Spannung an die Elektroden 31 und 32 angelegt und damit Lichtbündel 23 realisiert. Der Einsatz von Flüssigkristallzellen erfordert auch die Verwendung eines Polarisators vor und eines Analysators nach der Flüssigkristallzelle, die im Bild 1 nicht dargestellt sind.

Für Objekte, bei denen die Azimutabhängigkeit des polarisierten Lichtes stören könnte, kann vorteilhaft eine Platte mit dem polarisationsoptischen Gangunterschied λ/4 nach dem Analysator im Beleuchtungsstrahlengang eingesetzt werden.

Um mit Objektiven verschiedener Apertur stereoskopische Betrachtung mit hoher Auflösung zu erzielen, kann die Elektrodenstruktur der Flüssigkristallzelle so modifiziert werden, daß für das jeweilige Objektiv ein optimales Verhältnis zwischen Auflösung und stereoskopischen Effekt erreicht wird. Bild 4 zeigt eine Ausführungsform für zwei Objektive mit um den Faktor 2 verschiedenen Abbildungsmaßstäben, wobei einem ersten, stärkeren Objektiv die Flächen f3 und f4 für rechts und links sowie stets f6, einem schwächeren Objektiv die Flächen f1+f3 und f2+f4 für rechts und links sowie stets f5+f6 zugeordnet sind.

Vorteilhaft ist hierbei die Verwendung eines Objektivrevolvers mit Codierung, so daß beim Umschalten des Objektives auch die entsprechende Elektrodenkonfiguration des Lichtmodulators ausgewählt wird.

Um ein flimmerfreies Bild zu erzielen, ist der Einsatz von ferroelektrischen Flüssigkristallschaltern und die Darbietung der beiden Bilder auf dem Monitor als Halbbilder (z. B. Bild links: 2n. Zeilen; Bild rechts: (2n-1) . Zeilen) vorteilhaft. Eine relativ einfache Möglichkeit zur Modulation der Eintrittspupille bietet die Anwendung eines Modulators 6 aus zwei Strichgittern, die dicht übereinander angeordnet und im Verhältnis 1 : 1 geteilt sind.

Im Bild 5 ist diese Anordnung schematisch dargestellt. Die Gitterstriche 54 des Gitters 51 und des Gegengitters 52 werden in von oben nach unten gehend orientiert und eines der beiden Gitter, hier 51, mit einem Aktor 53 um 1/2 Gitterkonstante nach rechts und links gegenüber dem anderen bewegt. Dabei wird der Antrieb zweckmäßigerweise so gestaltet, daß gegeneinander gerichtete Beschleunigungskräfte auftreten, um Erschütterungen und damit ein "Verschmieren" des Stereoeffektes zu vermeiden.

Bei einem der beiden Gitter sind im einfachsten Fall die Gitterstriche 54 in einer Pupillenhälfte um 1/2 Gitterkonstante gegenüber der anderen versetzt. Durch die Gitterbewegung wird damit wechselweise eine der beiden Pupillenhälften, wie in Bild 5b bzw. 5c dargestellt, abgedeckt, während die andere transparent ist.

Es sind auch Muster entsprechend Bild 3 möglich. Die Darstellung des Bildes erfolgt in der selben Weise, wie bei den vorgenannten Varianten.

Dieses Prinzip läßt sich auch modifiziert in binokularen Tuben zur direkten stereoskopischen Beobachtung anwenden. Eine derartige prinzipielle Anordnung ist in Bild 6 dargestellt. Dabei muß die Gitterkonstante des Gitters 61 und Gegengitters 62 so gewählt werden, daß die von diesen Gittern erzeugten Beugungsbilder sich nicht störend dem gewünschten Bild überlagern. Eine für praktische Anwendung brauchbare Dimensionierung ist eine Gitterkonstante von ca. 3 µm bei Sehfelddurchmessern von ca. 23 mm und optischen Tubuslängen um 160 mm.

Der Aktor 63 bewegt das Gitter um 1/2 Gitterkonstante. Dabei werden die Tubusöffnungen 64, 65 ganzflächig überdeckt und wechselweise synchron zur Modulation der Eintrittspupille freigegeben. Ein Ausführungsbeispiel ist in Bild 6 dargestellt.

Die Erfindung ist nicht nur an die dargestellten Ausführungsformen gebunden. Insbesondere kann zur Erzeugung der versetzten Teilstrahlenbündel mindestens eine in der Ebene der Aperturblende angeordnete rotierende Blende vorgesehen sein, wobei eine zu der Drehfrequenz synchrone Zuordnung von Teilstrahlenbündeln der Beleuchtung zu den Augen des Beobachters mit den oben dargestellten Mitteln erfolgt.

Bei der Betrachtung von Objekten, bei denen eine Veränderung der Beleuchtungs- und Betrachtungsebene sinnvoll und vorteilhaft ist, wie zum Beispiel bei Operationsfeldern mittels eines Operationsmikroskopes oder bei Kolposkopen, können Mittel zur Drehung der die Teilstrahlenbündel freigebenden Öffnungen und der Kamera um die optische Achse vorgesehen sein, wobei, beispielsweise am betrachteten Videobild, die Orientierung des betrachteten Bildes entsprechend angepaßt wird.

Claims (26)

1. Verfahren zur Erzeugung des stereoskopischen Bildes eines Objektes,
wobei in einem ersten Schritt aus einem das Objekt beleuchtenden Beleuchtungsstrahlbündel durch Ausblendung ein erstes Teilstrahlenbündel erzeugt wird, das das Objekt unter einem ersten Winkel beleuchtet und ein erstes Bild des Objektes einem Betrachterauge dargeboten wird
und in einem zweiten Schritt durch Ausblendung mindestens mindestens ein zweites Teilstrahlenbündel erzeugt wird, das das Objekt unter einem zweiten Winkel beleuchtet und ein zweites Bild des Objektes dem anderen Betrachterauge dargeboten wird
und erster und zweiter Schritt wechselweise mit einer Frequenz oberhalb der Flimmerfrequenz des menschlichen Auges wiederholt werden.

2. Anordnung zur stereoskopischen Betrachtung eines mit einem Beleuchtungsstrahlenbünde 1 über eine Beleuchtungsoptik beleuchteten Objektes,
wobei Mittel zur wechselweisen Erzeugung mindestens zweier Teilbündel des Beleuchtungsstrahlbündels vorgesehen sind, die das Objekt über die Beleuchtungsoptik unter unterschiedlichen Winkeln beleuchten und Mittel zur Zuordnung der entstehenden Bilder des Objektes abwechselnd zum rechten und zum linken Auge des Betrachters vorgesehen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbündel einen Winkel zueinander einschließen, der in etwa dem Stereosehwinkel des Betrachters entspricht.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer mikroskopischen Anordnung aus Lichtquelle, Beleuchtungsoptik und mindestens einem das Objekt abbildenden Objektiv die Mittel zur wechselweisen Erzeugung der Teilbündel des Beleuchtungsstrahlbündels etwa in der Ebene des Bildes der Eintrittspupille des Objektives angeordnet sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur wechselweisen Erzeugung der Teilbündel des Beleuchtungsstrahlbündels etwa in der Ebene der Aperturblende eines Mikroskopes angeordnet sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß über die Lichtquelle und die Beleuchtungsoptik eine Durchlichtbeleuchtung in Richtung des abbildenden Objektivs des Mikroskopes vorgesehen ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß über die Beleuchtungsoptik eine Auflichtbeleuchtung des Objektes vorgesehen ist, die über einen teildurchlässigen Spiegel in den Beobachtungsstrahlengang eingeblendet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß zur wechselweisen Erzeugung der Teilbündel des Beleuchtungsstrahlbündels mindestens eine Flüssigkristallzelle vorgesehen ist, die elektrisch ansteuerbare Teilbereiche aufweist, die wechselweise lichtdurchlässig geschaltet werden.

9. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß zur Anpassung an unterschiedliche Abbildungsobjektive unterschiedliche elektrisch ansteuerbare Teilbereiche der Flüssigkristallzelle vorgesehen sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, gekennzeichnet dadurch, daß im Strahlengang der Flüssigkristallzelle nachgeordnet eine Platte mit dem polarisationsoptischen Gangunterschied λ/4 angeordnet ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß zur wechselweisen Erzeugung der Teilbündel des Beleuchtungsstrahlbündels im Beleuchtungsstrahlengang nacheinander mindestens zwei zueinander verschiebliche Strichgitter angeordnet sind, deren Gitterstriche so zueinander versetzt sind, daß bei einer Verschiebung wechselweise unterschiedliche Teilbereiche der Gitteranordnung lichtdurchlässig sind.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einem ersten Strichgitter die Gitterstriche eines Teilbereiches um eine halbe Gitterkonstante gegen die Gitterstriche eines zweiten Teilbereiches versetzt sind und eine Verschiebung des ersten gegen ein zweites Strichgitter um jeweils eine halbe Gitterkonstante erfolgt.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß zur wechselweisen Erzeugung der Teilbündel des Beleuchtungsstrahlbündels im Beleuchtungsstrahlengang mindestens eine rotierende Blende mit mindestens einer Öffnung vorgesehen ist, die wechselweise eines der Teilbündel freigibt.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuordnung der entstehenden Bilder des Objektes abwechselnd zum rechten und zum linken Auge des Betrachters eine das Objekt aufnehmende Videokamera vorgesehen ist, der mindestens ein Bildschirm nachgeordnet ist, auf dem im Takt der wechselweisen Beleuchtung die Bilder des Objektes entstehen.

15. Anordnung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Anordnung der Videokamera im Strahlengang eines Mikroskopes nach dem Abbildungsobjektiv.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Betrachtung des Bildschirmes für den Betrachter eine Brille vorgesehen ist, die im Takt der wechselweisen Beleuchtung des Objektes jeweils einem Auge ein Bild zuordnet.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Brille eine Shutterbrille mit umschaltbaren Öffnungen für rechtes und linkes Auge ist.

18. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Brille eine Polarisationsbrille ist und vor dem Bildschirm ein im Takt der wechselweisen Beleuchtung schaltbares Polarisationsfilter angeordnet ist.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-15, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedem Auge ein separater Bildschirm vorgesehen ist und den Bildschirmen im Takt der wechselweisen Beleuchtung die Bilder des Objektes zugeordnet sind.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-19, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuordnung der entstehenden Bilder des Objektes abwechselnd zum rechten und zum linken Auge des Betrachters im Binokulartubus eines Mikroskopes den Tubusöffnungen im Takt der wechselweisen Beleuchtung jeweils ein Bild des Objektes zugeordnet ist.

21. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-20, dadurch gekennzeichnet, daß dem Binokulartubus eine Shutterbrille zugeordnet ist.

22. Anordnung nach Anspruch 20, gekennzeichnet dadurch, daß im Binokulartubus mindestens zwei zueinander verschiebliche Strichgitter angeordnet sind, deren Gitterstriche so zueinander versetzt sind, daß bei einer Verschiebung wechselweise unterschiedliche Teilbereiche der Gitteranordnung lichtdurchlässig sind, die jeweils eine Tubusöffnung freigeben.

23. Anordnung nach Anspruch 22, gekennzeichnet dadurch, daß im Binokulartubus ein Strahlteiler zur Aufspaltung in Strahlengänge für rechtes und linkes Auge vorgesehen ist, dem die Strichgitter nachgeordnet sind.

24. Anordnung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einem ersten Strichgitter die Gitterstriche eines Teilbereiches um eine halbe Gitterkonstante gegen die Gitterstriche eines zweiten Teilbereiches versetzt sind und eine Verschiebung des ersten gegen ein zweites Strichgitter um jeweils eine halbe Gitterkonstante erfolgt.

25. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-24, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Teilbündel des Beleuchtungsstrahlbündels aufgespannte Ebene um die optische Achse drehbar ausgebildet ist.

26. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-25, gekennzeichnet durch ihre Anwendung auf Operationsmikroskope.