DE19606424A1 - 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 Stereoanordnungen 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.

Bekannt ist es weiterhin, zur Erzielung eines stereoskopischen Effektes im Kondensor eines einobjektivigen Mikroskopes Halbblenden in Form von polarisationsfiltern einzusetzen, deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen und in den beiden Tuben entsprechend orientierte Polarisationsfilter vorzusehen ( Journal of Microscopy, Vol. 153, Feb. 1989, S. 181-186).

Im DE-A1-43 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 Objektmasssen.

Im US-Patent 4 561 731 bzw. DE 31 08 389 sowie US 4806776 wird ein pseudostereoskopischer Effekt mit Hilfe einer sogenannten Differentia-Polarisationsbeleuchtung erzeugt. Für die Beleuchtung sind zwei separate Lichtquellen vorgesehen, denen Polarisatoren zur Erzeugung unterschiedlicher Polarisationsrichtungen nachgeordnet sind.

Ein echtes stereoskopisches Bild soll dagegen in US 4561731, DE 31 08 389 gemäß Fig. 10 und dazugehöriger Beschreibung 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 unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die stereoskopische Beobachtung mikroskopischer Bilder mit hoher Auflösung erfolgt, indem in oder etwa in der Aperturblendenebene des Beleuchtungsstrahlenganges (oder dem 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:

Fig. 1a eine erfindungsgemäße mikroskopische Anordnung mit Durchlichtbeleuchtung,

Fig. 1b eine erfindungsgemäße mikroskopische Anordnung mit Auflichtbeleuchtung,

Fig. 2 die durch eine erfindungsgemäße Anordnung erzeugten Lichtverhältnisse in der Ebene der Aperturblende des Mikroskopes,

Fig. 3 die Ausbildung einer Flüssigkristallzelle zur Realisierung der Erfindung,

Fig. 4 die Ausbildung einer weiteren Flüssigkristallzelle mit unterschiedlichen Bereichen für unterschiedliche Objektive,

Fig. 5 a, b, c eine Anordnung zur Erzeugung der Teilstrahlenbündel der Beleuchtung mit zwei Strichgittern,

Fig. 6 die Zuordnung der Strahlengänge in einem Binokulartubus,

Fig. 7 eine im Binokulartubus angeordnete rotierende Scheibe zur Bildtrennung,

Fig. 8 eine weitere Ausführung mit rotierender Scheibe,

Fig. 9 eine Ausführung mit rotierender Doppelscheibe,

Fig. 10 die Anordnung von LCD-Zellen vor dem Okular,

Fig. 11 eine Ausführungsform der Beleuchtung mit zwei Lichtquellen,

Fig. 12 eine weitere Ausführungsform der Beleuchtung mit zwei Lichtquellen,

Fig. 13-15 weitere vorteilhafte Anordnungen zur Zuordnung der Teilstrahlengänge zu den Betrachteraugen.

Ein erfindungsgemäße Mikroskop mit Durchlichtbeleuchtung zeigt

Fig. 1a. Es setzt sich wie üblich aus einer hier 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.

Fig. 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.

Fig. 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 hierdurch möglichen, über Halbblenden hinausgehenden Kreiszweiecke wird dabei jeweils die Beleuchtungsapertur möglichst optimal ausgeschöpft und die Beobachtungsapertur bleibt uneingeschränkt, so daß eine hohe mikroskopische Auflösung erzielt wird.

Fig. 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 Fig. 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. Fig. 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 Flüssigkristall-Schaltern 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 Fig. 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 ½ 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 ½ Gitterkonstante gegenüber der anderen versetzt. Durch die Gitterbewegung wird damit wechselweise eine der beiden Pupillenhälften, wie in Fig. 5b bzw. 5c dargestellt, abgedeckt, während die andere transparent ist.

Es sind auch Muster entsprechend Fig. 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 Fig. 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 um bei Sehfelddurchmessern von ca. 23 mm und optischen Tubuslängen um 160 mm.

Der Aktor 63 bewegt das Gitter um ½ Gitterkonstante. Dabei werden die Tubusöffnungen 64, 65 ganzflächig überdeckt und wechselweise synchron zur Modulation der Eintrittspupille freigegeben. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 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.

Um die Lichtverluste durch die Polarisator-Analysator- Kombination einer LCD-Zelle als Betrachtungsshutter zu reduzieren, können rotierende Scheiben als Shutter im binokularen Tubus eingesetzt werden.

Dabei sind verschiedene vorteilhafte Varianten möglich. So kann der Beleuchtungsshutter eine rotierende Scheibe mit abwechselnden transparenten und lichtundurchlässigen Bereichen sein.

Eine derartige Anordnung ist in Fig. 7 dargestellt. Einem erfindungsgemäßen und beispielsweise in Fig. 1-3 beschriebenen Pupillenmodulator 701 ist ein Kondensor 702 und ein Objekt 703 im Durchlichtstrahlengang einer hier nicht dargestellten Lichtquelle nachgeordnet.

Das abwechselnd aus verschiedenen Richtungen durchstrahlte Objekt 703 wird über ein Objektiv 704 sowie eine Tubuslinse 705 in Richtung eines nicht dargestellten Binokulartubus eines Mikroskopes abgebildet.

Dieser enthält einen Strahlteiler 706, dem eine rotierende Scheibe 709 nachgeordnet ist, die eine Lichtdurchlaßöffnung 712 aufweist, ansonsten aber lichtundurchlässig ausgebildet ist.

Einem Umlenkprisma 707 bzw. einem Ausgleichsglas 708 sind die Okulare 710 des Mikroskopes nachgeordnet.

Eine Ansteuer- und Synchronisationseinheit 711 bewirkt die Synchronisation der Strahlengangumschaltung im Pupillenmodulator 701 mit der Rotation der Scheibe 709, so daß mittels der Lichtdurchlaßöffnung, die jeweils nur ein Okular freigibt, die unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen dem Auge seitenrichtig dargeboten werden.

Eine Scheibe mit transparenten und spiegelnden Bereichen zur Zuordnung der Teilstrahlen zu den Okularen zeigt Fig. 8 Die Scheibe kann diese Bereiche in verschiedenen Konfigurationen tragen.

Weiterhin können zur Synchronisation in den Anordnungen gemäß Fig. 7, 8, 9, 12 analog Fig. 11 Kennmarken vorhanden sein, über die durch eine Photodioden-Photoempfänger-Kombination das Triggersignal für die synchrone Schaltung der Betrachtungsshutter gewonnen wird.

Eine mit einer Ansteuer- und Synchronisationseinheit 803 verbundene, im von einer hier nicht dargestellten Tubuslinse kommenden Strahlengang schräg angeordnete rotierende Scheibe 801 ist auf ihrer einer Lichtdurchlaßöffnung 802 zur Drehachse gesehen gegenüberliegenden Seite reflektierend ausgebildet, so daß bei ihrer Rotation das Licht abwechselnd zwei Umlenkprismen 804, 805 und im weiteren den hier nicht dargestellten Okularen zugeordnet wird.

In Fig. 9 ist eine rotierende Doppelscheibe 901 mit parallelen, einander gegenüberliegenden transparenten und lichtundurchlässigen Bereichen 902, 903, die mit einer Ansteuer- und Synchronisationseinheit 907 verbunden ist, vorgesehen.

Über einen Strahlteiler 904 gelangt bei der dargestellten Stellung der Doppelscheibe 901 das von der nicht dargestellten Tubuslinse kommende Licht auf ein erstes Strahlumlenkprisma 905, sowie bei einer um 180 Grad versetzten Stellung der Doppelscheibe auf ein zweites Strahlumlenkprisma 906 und wird auf diese Weise abwechselnd und mit dem Wechsel der Beleuchtung synchronisiert den Okularen zugeordnet.

Als Beobachtungsshutter kann weiterhin, wie in Fig. 10 dargestellt, für jedes Auge eine LCD-Zelle im binokularen Tubus eingesetzt werden.

Ist der Beleuchtungsshutter ebenfalls eine LCD-Zelle, so erfordert jede LCD-Zelle eine Polarisator-Analysator- Kombination. Diese vier Polare für jeden Strahlengang ergeben aber relativ hohe Lichtverluste. Haben die optischen Elemente zwischen Beleuchtungsshutter und Betrachtungsshutter günstige polarisationsoptische Eigenschaften, d. h. sind die Wirkungen der Optik auf linear polarisiertes Licht im Strahlengang für linkes und rechtes Auge etwa gleich, weil geringe Phasensprünge auftreten und die verwendete Optik weitgehend spannungsfrei ist, so kann der Analysator des Beleuchtungsshutter zugleich als Polarisator für die Betrachtungsshutter wirken und damit ein Polar entfallen.

In Fig. 10 sind im Einzelnen dargestellt:
Eine Polarisator/ Analysatoranordnung 1010, in der im Lichtweg als erfindungsgemäßer Pupillenmodulator eine LCD-Zelle 1011 angeordnet ist, der ein Kondensor 1012 sowie das Objekt 1013 nachgeordnet ist.

Wie bereits mehrfach beschrieben, ist dem Objekt ein Objektiv 1014 sowie eine Tubuslinse 1015 nachgeordnet.

Ein im nicht dargestellten Binokulartubus eines Mikroskopes angeordneter Strahlteiler 1016 sowie ein Umlenkprisma 1017 und ein Ausgleichsglas 1018 erzeugen die Strahlengänge in den Okularen 1020.

Den Okularen 1020 sind eine den rechten und linken Strahlengang abwechselnd freigebende LCD-Zelle 1019 sowie Analysatoren 1021 nachgeordnet.

Über eine Ansteuer- und Synchronisationseinheit 1022 erfolgt die synchronisierte Ansteuerung der Freigabe der Strahlengänge in der LCD-Zelle 1011 sowie der LCD-Zelle und damit die Zuordnung der unterschiedlichen Beleuchtungswinkel zu den Augen des Betrachters.

Um die Lichtverluste durch die Polarisator-Analysator- Kombination einer LCD-Zelle als Beleuchtungsshutter zu reduzieren, können in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 11 dargestellt ist, zwei Lichtquellen eingesetzt werden, deren Licht erfindungsgemäß in die Ebene der Eintrittspupille des Objektives oder eine zu dieser konjugierten Ebene abgebildet werden.

Hierzu wird nahezu das gesamte Licht jeder Lichtquelle auf den kreisförmigen Eintritt eines Lichtleitfaserbündels abgebildet. Jedes Lichtleitfaserbündel ist als Querschnittswandler ausgebildet, so daß jede Lichtsaustrittsfläche halbkreisförmig ist. Die Austrittsflächen werden zu einem Vollkreis zusammengesetzt und bilden die Ebene der Eintrittspupille (Aperturblendenebene) bzw. eine konjugierte Ebene. Vor dem Lichteintritt in das Lichtleitfaserbündel wird jeder Lichtstrahl durch einen rotierenden Shutter geschaltet, der z. B. als Halbkreissektor ausgebildet sein kann. Zugleich trägt der rotierende Shutter Kennmarken, über die durch eine Photodioden-Photoempfänger-Kombination das Triggersignal für die synchrone Schaltung der Betrachtungsshutter gewonnen wird. Da der rotierende Shutter der Kaltlichtquelle zugeordnet werden kann, erfolgt eine mechanische Trennung vom Mikroskopstativ, so daß keine eventuellen mechanischen Schwingungen des Rotors auf das Mikroskopstativ wirken.

In Fig. 11 sind im einzelnen mit Reflektoren 1101 versehene Lichtquellen 1102 vorgesehen, die über Abbildungsoptiken 1103, 1104 eine rotierende Scheibe 1105, die wie schon beschrieben und in der untenstehenden Draufsicht erkennbar, eine halbkreisförmige Lichtdurchtrittsöffnung 1111 aufweist und im übrigen lichtundurchlässig ausgebildet ist und dadurch das Licht abwechselnd auf die Lichteintrittsflächen zweier Lichtleiterbündel 1107 fallen läßt.

Die gemäß der Darstellung der Aperturblendenebene 1108 jeweils halbkreisförmig ausgebildeten Lichtleiteraustrittsbündel erzeugen das dargestellte, abwechselnd rechts und links helle oder dunkle Bild 1109 in der Ebene der Aperturblende. Gleichzeitig trägt die Scheibe 1105 Meßmarken 1112, die als kleine Öffnungen ausgebildet sind und hierdurch mittels einer nicht dargestellten Photodioden-Photoempfängerkombination ein Synchronisationssignal für eine Ansteuer- und Synchronisationseinheit 1106 erzeugen.

Um die Lichtverluste durch die Polarisator-Analysator- Kombination einer LCD-Zelle als Beleuchtungsshutter zu reduzieren, können wie in Fig. 12 dargestellt, vorteilhaft zwei Lichtquellen über je eine Linse auf die Katheten eines verspiegelten Prismas abgebildet werden. Die Spitze des Prismas ist entweder die Ebene der Eintrittspupille (Aperturblendenebene) oder über eine zusätzliche Linsenkombination erfolgt die Abbildung in die Eintrittspupille des Mikroskopes. Eine rotierende Doppelscheibe als Shutter bildet den Beleuchtungsshutter. Die rotierende Doppelscheibe trägt außerdem Kennmarken, über die durch eine Photodioden-Photoempfänger-Kombination das Triggersignal für die synchrone Schaltung der Betrachtungsshutter gewonnen wird. In Fig. 12 sind im einzelnen Lichtquellen 1201, 1202 Abbildungsoptiken 1203, 1204 nachgeordnet. Eine rotierende Doppelblende 1205 weist um 180 Grad versetzte Lichtdurchtrittsöffnungen 1206 auf und ist ansonsten Lichtundurchlässig, so daß jeweils nur das Licht einer Lichtquelle auf die verspiegelte Seitenfläche eines Prismas 1208 gelangt, von dieser reflektiert wird und über eine Beleuchtungsoptik 1209 in eine Objektebene 1210 gelangt, wodurch das Objekt unter verschiedenen Winkeln nacheinander beleuchtet wird.

Eine Ansteuer- und Synchronisationseinheit synchronisiert die Bewegung der Doppelscheibe 1205 mit geeigneten, in den vorigen Figuren beschriebenen Mitteln zur Bildtrennung in der Beobachtungsebene.

In Fig. 13 ist einem Objektiv O, das von zwei durch abwechselnde Beleuchtung des Objektes erzeugten Stereo-Strahlengängen durchsetzt wird, die, beispielsweise, wie oben erläutert, durch alternierende Freigabe von Blenden in der Ebene der Eintrittspupille des Objektives eines Durchlichtmikroskopes erzeugt werden, eine Tubuslinse L1 und ein Spiegel S nachgeordnet.

Es sind sogenannte "digital micromirror-devices" (DMD) bekannt, die aus einer Vielzahl von Mikrospiegeln bestehen, deren Winkellage elektrostatisch verändert wird.

Zum Aufbau und zur Wirkungsweise derartiger Anordnungen wird auf Veröffentlichungen in EP 664470 A2, EP 656554 A2, EP 601309 A1, US 5382961, US 5444566, und US 5285196 verwiesen. Derartige Anordnungen können unerwartet vorteilhaft auch für die Erzeugung von stereoskopischen Bildern im Mikroskop eingesetzt werden.

Dazu wird der DMD-Chip entweder nicht orthogonal oder orthogonal (senkrecht) in ein Zwischenbild gelegt, das in seiner Größe über die Brennweite der Tubuslinse dimensioniert wird, oder in den parallelen Strahlengang zwischen Objektiv und Tubuslinse gebracht.

Das Zwischenbild auf dem DMD-Chips wird über eine geeignete Optik in das Okularzwischenbild abgebildet bzw. im parallelen Strahlengang wird das Okularzwischenbild durch eine geeignete Optik nach dem DMD-Chip erzeugt. Zwischen beiden Bildern werden Prismen- bzw. Spiegelumlenkungen vorgesehen, die für ein aufrechtes, seitenrichtiges Bild in der vom jeweiligen Nutzer benötigten Pupillendistanz sorgen.

Pupillensteuerung und DMD-Schaltung sind synchron getaktet, so daß dem linken und rechten Auge des Betrachters jeweils ein Bild des stereoskopischen Bildpaares angeboten werden.

Die im Folgenden beschriebenen Varianten sind für Auf- und Durchlicht-Mikroskopstative ebenso geeignet wie für Inversmikroskope und zum Einsatz in der Endoskopie.

Auf einer Digital Mirror Device-Anordnung (DMD) entsteht ein Zwischenbild des betrachteten Objektes, das durch elektrostatische Ansteuerung der Mikrospiegel abwechselnd in ein linkes und rechtes optisches System S1 bzw. S2 eingespiegelt wird, das jeweils aus einem prismatischen Körper P1 bzw. P2, Linsen L2 bzw. L3 sowie auf die Betrachteraugen umlenkenden Doppelprismen D1 oder D2 besteht.

Der DMD-Chip liegt hierbei in einem Winkel ungleich 90 Grad sowohl zur Objektivachse A1 als auch zur vom Element S durch Umlenkung erzeugten Achse A2.

Mittels einer Ansteuereiheit AS wird sowohl die DMD-Anordnung als auch die nicht dargestellte Blendenanordnung in der Eintrittspupille des Objektives synchron mit einer Frequenz oberhalb der Flimmerfrequenz des Auges angesteuert.

Im Fig. 14 ist das DMD-Element senkrecht zur Objektivachse A im Zwischenbild der Tubuslinse L1 angeordnet und lenkt wechselweise den Strahlengang auf symmetrisch zur Achse A angeordneten Umlenkspiegel Sp3, Sp4, denen Linsen L6, L7 sowie Prismen P3, P4 zur Umlenkung in Richtung des Okulars sowie zur Erzeugung des Okularzwischenbildes nachgeordnet sind.

Zwischen Tubuslinse L1 und der DMD-Anordnung kann auch ein hier nicht dargestelltes weiteres Umlenkelement vorgesehen sein.

Auch hier ist eine wie in Fig. 7 wirkende Ansteuereinheit AS vorgesehen.

In Fig. 15 ist das DMD-Element direkt dem Objektiv O im parallelen Strahlengang nachgeordnet und erzeugt wechselweise einen Strahlengang durch Tubuslinsen L4, L5, denen Umlenkspiegel Sp1 und Sp2 sowie Prismen P3, P4 nachgeordnet sind.

Das Okularzwischenbild entsteht nach den Prismen P3, P4 und wird mittels einer nicht dargestellten Okularoptik betrachtet.

Wiederum ist eine Ansteuereinheit AS vorgesehen.

Mittels der DMD-Anordnung können ausreichende Schwenkwinkel realisiert werden, um die hier benötigte Winkeldifferenz zu erzeugen.

Vorteilhaft kann eine zu Fig. 13-15 analoge Anordnung auch unter Verwendung eines Galvanometerspiegels eingesetzt werden, der anstelle der DMD-Anordnung den gesamten Strahlengang ablenkt.

Mit dem Wegschalten des ersten Umlenkspiegels S in Fig. 13 bzw. des DMD-Chips in Fig. 14 und Fig. 15 ist der ungehinderte Strahlengang zu einer TV-Kamera und einer alternativen Monitorbetrachtung möglich, die eine Stereobeobachtung bei Synchronisation von Pupillenbeleuchtung, Kamera und Bildwiedergabe ermöglicht.

Claims (40)

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 über eine Beleuchtungsoptik beleuchteten Objektes, wobei Mittel zur wechselweisen Erzeugung mindestens zweier Beleuchtungsstrahlteilbündel 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, mit einer Frequenz oberhalb der Flimmerfrequenz des menschlichen Auges, 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 einem der Ansprüche 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 Beleuchtungsstrahlteilbündel etwa in der Ebene der Aperturblende des Mikroskopes oder einer zu dieser optisch konjugierten Ebene angeordnet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur wechselweisen Erzeugung der Beleuchtungsstrahlteilbündel etwa in der Ebene der Eintrittspupille des Mikroskopobjektivs 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 eines 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 eines Mikroskopes eingeblendet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-7, gekennzeichnet durch Beleuchtungsteilbündel mit einem jeweils über die Hälfte der optisch wirksamen Beleuchtungsfläche hinausgehenden Querschnitt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsstrahlteilbündel durch Ausblendung von Teilbündeln aus einem gemeinsamen Beleuchtungsstrahlbündel entstehen.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-9, dadurch gekennzeichnet, daß zur wechselweisen Erzeugung der Beleuchtungsstrahlteilbündel mindestens eine Flüssigkristallzelle vorgesehen ist, die elektrisch ansteuerbare Teilbereiche aufweist, die wechselweise lichtdurchlässig geschaltet werden.

11. Anordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daß zur Anpassung an unterschiedliche Abbildungsobjektive unterschiedliche elektrisch ansteuerbare Teilbereiche der Flüssigkristallzelle vorgesehen sind.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, gekennzeichnet dadurch, daß im Strahlengang der Flüssigkristallzelle nachgeordnet eine Platte mit dem polarisationsoptischen Gangunterschied λ/4 angeordnet ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-9, 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.

14. Anordnung nach Anspruch 13, 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.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-9, 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.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-15, wobei eine Übertragungsoptik zur Erzeugung des Bildes einer Lichtquellenanordnung in der Ebene der Aperturblende oder einer zu dieser optisch konjugierten Ebene vorgesehen ist.

17. Anordnung nach Anspruch 16, wobei die Übertragungsoptik aus Lichtleitern besteht.

18. Anordnung nach einem der Anspruch 16, wobei die Übertragungsoptik aus einem verspiegelten Prisma besteht, das im Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist und die Lichtquellenanordnung in den Strahlengang einspiegelt.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-18, 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.

20. Anordnung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch Anordnung der Videokamera im Strahlengang eines Mikroskopes nach dem Abbildungsobjektiv.

21. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-20, dadurch gekennzeichnet, daß zur Betrachtung vorzugsweise eines Bildschirmes für den Betrachter eine Brille vorgesehen ist, die im Takt der wechselweisen Beleuchtung des Objektes jeweils einem Auge ein Bild zuordnet.

22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Brille eine Shutterbrille mit umschaltbaren Öffnungen für rechtes und linkes Auge ist.

23. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Brille eine Polarisationsbrille ist und vor dem Bildschirm mindestens ein im Takt der wechselweisen Beleuchtung schaltbares Polarisationsfilter angeordnet ist.

24. Anordnung nach einem der Ansprüche 19-23, 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.

25. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-24, 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.

26. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-25, dadurch gekennzeichnet, daß dem Binokulartubus eine Shutterbrille zugeordnet ist.

27. Anordnung nach Anspruch 25, 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.

28. Anordnung nach Anspruch 27, gekennzeichnet dadurch, daß im Binokulartubus ein Strahlteiler zur Aufspaltung in Strahlengänge für rechtes und linkes Auge vorgesehen ist, dem die Strichgitter nachgeordnet sind.

29. Anordnung nach Anspruch 27 oder 28, 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.

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

31. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-30, dadurch gekennzeichnet, daß zur wechselweisen Erzeugung der Teilbündel des Beobachtungsstrahlengang im Beobachtungsstrahlengang mindestens eine rotierende Blende mit mindestens einer Öffnung vorgesehen ist, die wechselweise eines der Teilbündel freigibt.

32. Anordnung zur Betrachtung stereoskopischer Bilder, insbesondere nach einem der Ansprüche 2-25, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Objektiv und einem Binokulartubus eine Kippspiegelanordnung vorgesehen ist, die die stereoskopischen Teilstrahlengänge abwechselnd dem einen und dem anderen Betrachterauge zuordnet.

33. Anordnung nach Anspruch 32, wobei die stereoskopischen Bilder über ein mikroskopisches System durch schnelle wechselweise Ausblendung von Teilstrahlenbündeln des Beleuchtungsstrahlenbündels erzeugt werden, mit einer zur Ausblendung synchronen Zuordnung der stereoskopischen Einzelbilder zum jeweiligen Auge des Betrachters im Binokulartubus mittels einer Kippspiegelanordnung.

34. Anordnung nach Anspruch 32 oder 33, gekennzeichnet durch Verwendung eines Galvanometerspiegels zur schnellen Zuordnung der stereoskopischen Einzelbilder.

35. Anordnung nach Anspruch 32 oder 33, gekennzeichnet durch die Anordnung einer digital schaltbaren Mikrospiegelanordnung (DMD) im Abbildungsstrahlengang zwischen Objektiv und Tubuseinheit.

36. Anordnung nach einem der Ansprüche 32-35, wobei die Spiegelanordnung in einem Zwischenbild des Abbildungsstrahlenganges positioniert ist und nicht orthogonal zur optischen Achse angeordnet ist.

37. Anordnung nach einem der Ansprüche 32-35, wobei die Spiegelanordnung in einem Zwischenbild des Abbildungsstrahlenganges positioniert ist und orthogonal zur optischen Achse angeordnet ist.

38. Anordnung nach einem der Ansprüche 32-37, wobei die Spiegelanordnung im parallelen Teil des Abbildungsstrahlenganges positioniert ist.

39. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-38, gekennzeichnet durch den Einsatz in der Endoskopie.

40. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-38, gekennzeichnet durch ihre Anwendung auf Operationsmikroskope.