DE4243452A1 - Adapter zur dreidimensionalen Darstellung von stereoskopischen Abbildungen auf einer elektronischen Bildwiedergabevorrichtung - Google Patents

Description

Mit zunehmendem Einsatz von stereoskopischen Mikroskopen und stereoskopischen Endoskopen in der Chirurgie steigt auch das Bedürfnis nach Möglichkeiten für dreidimensionale Darstellung von stereoskopischen Abbildungen auf elektronischen Bildwiedergabevorrichtungen.

Aufgrund beruflich geläufiger Überlegungen bietet sich dem Fachmann an, zur Übertragung stereoskopischer Abbildungen auf eine elektronische Bildwiedergabevorrichtung, beispielsweise einen elektronischen Bildschirm, jeden der beiden stereoskopischen Abbildungsstrahlen über Strahlteiler vom abbildenden System auszukoppeln und die beiden stereoskopischen Halbbilder einer Bildaufnahmevorrichtung zuzuführen. Im DE-GBM 89 02 710 wird vorgeschlagen, für stereoskopische Beobachtungen oder Aufzeichnungen zwei Fernsehkameras mit je einem Ausgang eines Operationsmikroskops zu verbinden und diese mit je einem stereoskopischen Halbbild zu beaufschlagen. Die stereoskopischen Halbbilder der beiden Fernsehkameras können entweder auf einem gemeinsamen elektronischen Bildschirm nebeneinander oder auf zwei elektronischen Bildschirmen dargestellt und mit einer an sich bekannten Prismenbrille betrachtet werden. Derartige Bildaufnahme- und Wiedergabevorrichtungen sind beispielsweise in der US-PS 5 028 994 und in der DE-PS 41 34 033 beschrieben.

Abgesehen von den Kosten für zwei Fernsehkameras hat diese bekannte Maßnahme auch Nachteile hinsichtlich der Anforderungen, die an die Zentrierung der optischen Systemteile gestellt werden. Bei der Beobachtung der beiden stereoskopischen Halbbilder in den Okularen eines Stereo- Mikroskopes oder eines Stereo-Endoskopes läßt nämlich das Augenpaar wegen des Fehlens äußerer Bezugspunkte Toleranzen bezüglich Zentrierung und Vergrößerung in gewissem Umfang zu. Da aber bei der Darstellung auf einem Fernsehbildschirm bzw. Monitor die Umwelt mit wahrgenommen wird, sind in diesem Fall erhöhte Fertigungs- und Justiergenauigkeiten erforderlich.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, räumliche Bilder, die durch ein stereoskopisches Abbildungssystem gewonnen wurden, mit nur einer Fernsehkamera auf einen elektronischen Bildschirm, bzw. Monitor zu übertragen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den Merkmalen der kennzeichnenden Teile der Patentansprüche 1, 8 und 13 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2-7, sowie 9-12 und 14 enthalten.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Die gezeigten Ausführungsbeispiele sollen jedoch keine Beschränkung des Erfindungsgedankens darstellen, dessen Realisierung auch mit anderen, hier nicht gezeigten Hilfsmitteln zur videofrequenten alternierenden Unterbrechung und anschließenden Zusammenführung der stereoskopischen Abbildungsstrahlen in einer Achsrichtung möglich ist.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische und schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Adapters für ein Stereo- Mikroskop;

Fig. 1a ein spezielles Ausführungsbeispiel nach Fig. 1;

Fig. 1b die Darstellung des in Fig. 1a gezeigten Zerhackerrades;

Fig. 2 eine perspektivische und schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Adapters für ein Stereo- Endoskop;

Fig. 2a-2d ein spezielles Ausführungsbeispiel nach Fig. 2;

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Adapter für ein stereo­ skopisches Abbildungssystem allgemeiner Art in der Schnittdarstellung;

Fig. 3a-3d die Vorgänge bei der Lichtpolarisierung und -unterbrechung bei dem Beispiel nach Fig. 3;

Fig. 4 eine Variation des in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels;

Fig. 4a u. 4b die Vorgänge bei der Lichtpolarisierung und -unterbrechung beim Beispiel nach Fig. 4.

In der Darstellung der Fig. 1 ist mit (0) die Objektebene bezeichnet, von der aus im stereoskopischen Betrachtungswinkel die Abbildungsstrahlen (1, 2) durch ein Objektiv (4) mit den Pupillen (4a, 4b) in ein mit (5a, 5b) bezeichnetes Vergrößerungssystem gelangen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Stereostrahlen (1, 2) nach Passieren des Objektives (4) parallel gerichtet. Das hat zur Folge, daß das Vergrößerungssystem (5a, 5b) als umkehrbares Galilei-System ausgebildet sein kann, das in beiden Richtungen zu benutzen ist und damit zwei verschiedene Vergrößerungen ergibt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen (20) der aus Objektiv (4) und Vergrößerungswechsler (5a, 5b) bestehende Mikroskop- Grundkörper bezeichnet, dem nach bildaufrichtenden und/oder strahlteilenden Mitteln (7a, 7b) der Okulartubus mit den Okularen (10a, 10b) folgt. Im Beispiel nach Fig. 1 ist im Mikroskop-Grundkörper (40) eine Schnittstelle (6) vorgesehen, an die der Adapter (40) entweder mit seiner Schnittstelle (8) oder mit seiner Schnittstelle (9) ansetzbar ist. Im ersten Fall enthält der Adapter (40) bildaufrichtende und strahlumlenkende Prismen-Systeme (7a, 7b); im zweiten Fall sind diese Prismensysteme noch im Mikroskop-Grundkörper (20) enthalten. Der Adapter (40) enthält Shutter-Mittel (11a, 11b) zur alternierenden Unterbrechung der abbildenden Stereostrahlen (1, 2) sowie optische Strahlumlenkmittel (12a, 12b) zur darauffolgenden Strahlzusammenführung und alternierenden Beaufschlagung einer Fernsehkamera (14) in videofrequentem Wechsel mit den von den Abbildungsstrahlen (1, 2) gebildeten stereoskopischen Halbbildern. Der Teiler (12b) ist bei Verwendung von ferroelektrischen Flüssigkristall-Shuttern vorzugsweise ein Polarisations- Strahlteiler. Mit (13) ist ein weiteres abbildendes System bezeichnet, das vor der Fernsehkamera (14) angeordnet sein kann. Der Adapter (40) kann eine weitere Schnittstelle (19) aufweisen zum Anschluß an ein Bildaufnahmesystem allgemeiner Art.

In der Darstellung der Fig. 1a ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeichnet, bei dem als Shutterelement zur Unterbrechung der stereoskopischen Abbildungsstrahlen (1) und (2) ein rotierendes Chopperrad (20) verwendet wird, das mit einer Referenzmarke (21) für eine Lichtschranke (22) versehen ist und das einen lichtundurchlässigen Bereich (20a) und einen lichtdurchlässigen Bereich (20b) aufweist. Die Flächen der Bereiche (20a, 20b) müssen so groß gewählt sein, daß ein Übersprechen der Kanäle für die stereoskopischen Abbildungsstrahlen (1, 2) verhindert wird. Das Chopperrad (20) wird von einem Motor (23) getrieben, der an eine Analogelektronik mit Treiberendstufe angeschlossen ist. Der Impuls der Lichtschranke (22) und der Synchronisationsimpuls vom Monitor der 3D-Elektronik inklusive Offset für die Phase sind die Ist- bzw. Soll-Größen eines Regelkreises. Dieser besteht aus aus der Regeleinrichtung, einer PLL-Schaltung (Phase-Locked-Loop) und der Regelstrecke bestehend aus Analog-Elektronik mit Treiberendstufe und Motor. Mit dieser Anordnung erreicht man, daß die Drehzahl des Chopperrades konstant und zudem auch noch in Phase mit dem vorgegebenen Synchronisationsimpuls ist.

In der schematischen Darstellung der Fig. 2 ist ein Adapter (41) gezeigt, der mit seiner Schnittstelle (15) oder (16) mit einem Stereo-Endoskop (30) verbindbar ist. Ein Prismen-System (17) erweitert die Stereobasis, separiert die auftreffenden abbildenden Stereostrahlen (1, 2) und lenkt sie weiter auf Shutter-Elemente (11a, 11b) und Strahlzusammenführungs- Elemente (12a, 12b) und über eine abbildende Optik (13) in videofrequentem Wechsel auf eine Fernsehkamera (14). Auch der Adapter (41) kann eine weitere Schnittstelle (18) aufweisen zum Anschluß an eine Bildaufnahmevorrichtung beliebiger Art. Die Shutter-Elemente (11a, 11b) können aus im Stand der Technik bekannten Mitteln bestehen, beispielsweise videofrequent arbeitenden Kameraverschlüssen elektronischer oder elektro-mechanischer Art, ferroelektrischen Flüssigkristall-Shuttern, optischen Polarisatoren mit ferroelektrischen Flüssigkristall-Schaltern und einem nachgeordneten optischen Analysator, einem Zerhackerrad etc. Die Mittel (12a, 12b) zur alternierenden Zusammenführung der unterbrochenen Strahlen (1, 2) auf eine gemeinsame Achse sind ebenfalls dem vorbekannten Stand der Technik als optische Umlenk- und Strahlteilungselemente zu entnehmen.

In der Darstellung der Fig. 2a dienen als Shutterelemente zur Unterbrechung Stereostrahlen (1, 2) videosynchron arbeitende Kameraverschlüsse (24, 25) elektromechanischer Art. In der Fig. 2b ist die Ansteuerung eines Kameraverschlusses dargestellt, in der Fig. 2c und 2d die Öffnungs- und Verschlußzeiten der in den abbildenden Stereostrahlen (1, 2) angeordneten Kameraverschlüsse (24, 25).

Anstelle von Kameraverschlüssen elektromechanischer Art können als Shutterelemente auch ferroelektrische Flüssigkristallshutter oder andere aus dem Stand der Technik bekannte Hilfsmittel verwendet werden.

In der schematischen Darstellung der Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeichnet, in dem ein Adapter (42) zwei von einem stereoskopischen Abbildungssystem kommende Stereostrahlengänge (1a, 2a) in videofrequentem Wechsel auf eine Fernsehkamera (14) führt. Als Shutter- Elemente wirken in diesem Ausführungsbeispiel die optischen Polarisatoren (11c) und (11d) mit den Flüssigkristallschaltern (11e, 11f) sowie dem optischen Analysator (11g) zusammen. Als Strahlumlenkelement und Strahlteilungselement ist wieder ein Spiegel (12a) und ein Strahlteiler (12b) eingezeichnet. Der Fernsehkamera (14) kann wie in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und Fig. 2 eine Abbildungsoptik (13) vorgeschaltet sein. Die Fernsehkamera (14) kann mit dem Adapter (42) fest verbunden oder über eine Schnittstelle (21) lösbar verbunden sein. Anstelle einer Fernsehkamera (14) kann eine andere, aus dem Stand der Technik bekannte Bildaufnahmevorrichtung verwendet werden.

Die Aufgabe des polarisationsoptischen Systems (11c-11g; 12a, 12b) besteht darin, die abbildenden Stereostrahlen (1a, 2a) videofrequent zu unterbrechen, auf eine gemeinsame Achse zu bringen und der Fernsehkamera (14) oder einem anderen bildaufnehmenden System alternierend zuzuführen. Das Prinzip der Zusammenführung der Strahlengänge (1a) und (2a) ist in den Zeichnungen der Fig. 3a und 3b erläutert. Die Strahlteiler können sowohl aus Prismenteilern als auch aus schräggestellten Teilerplatten bestehen. Als optische Polarisatoren lassen sich Linearpolarisatoren oder Zirkularpolarisatoren in Kombination mit Lambda/4-Platten einsetzen.

Der Strahl (1a) wird im Polarisator (11c) linear polarisiert der Strahl (2a) im Polarisator (11d), der zu (11c) um π/2 gedreht ist. D.h., die verbleibenden Komponenten der Strahlen (2a) und (1a) stehen ebenfalls in einem Winkel π/2 zueinander. Liegt an den FLC-Schaltern (11e) und (11f) eine negative Spannung (Fig. 3a) an, geht das Licht unverändert hindurch und wird anschließend durch den Spiegel (12a) und den Strahlteiler (12b) in eine gemeinsame Richtung gelenkt. Der nachfolgende Analysator (11g) läßt nur den vom Objekt kommenden Strahl (2a) durch.

Legt man nun an die FLC-Schalter (11e) und (11f) eine positive Spannung (Fig. 3b) an, so werden die Komponenten der Strahlen (2a) und (1a) um π/2 gedreht, so daß im Analysator (11g) nunmehr der Strahl (1a) durchgelassen wird.

In der Zeichnung der Fig. 3 sind die FLC-Schalter (11e) und (11f) als zwei Elemente eingezeichnet. Sie können aber auch aus einem Bauelement mit entsprechend großem Durchmesser bestehen.

In der Zeichnung der Fig. 3c und 3d weisen die Polarisatoren (11c, 11d) die gleiche Orientierung auf, während die FLC-Schalter (11e, 11f) im Gegentakt angesteuert werden. Somit können in diesem Fall die Polarisatoren (11c, 11d) als ein Bauelement mit entsprechend großem Durchmesser ausgeführt sein.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 befinden sich nur die Polarisatoren (11c, 11d), vor dem Spiegel (12a) und dem Strahlteiler (12b). Ein FLC-Schalter (11e) befindet sich zwischen dem Strahlteiler (12b) und dem Analysator (11g). Der Vorteil bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Bedarf von nur einem FLC-Schalter mit geringem Durchmesser.

An der Schnittstelle (21) ist der Adapter (42) an eine Bildaufnahmevorrichtung allgemeiner Art anschließbar. Die Funktion der Polarisatoren (11c, 11d) und des FLC-Schalters (11e) im Beispiel nach Fig. 4 ist aus den Abbildungen 4a und 4b ersichtlich, die analog zu den Abbildungen der Fig. 3a bis 3b erstellt sind.

Claims (16)

1. Adapter zur dreidimensionalen Darstellung von stereoskopischen Abbildungen auf einer elektronischen Bildwiedergabevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Schnittstelle (8, 9) aufweist zur Verbindung mit einem Stereomikroskop (20), das mindestens ein abbildendes Objektiv und Mittel zum Vergrößerungswechsel enthält und daß er Mittel zur alternierenden Unterbrechung und anschließenden Zusammenführung der stereoskopischen Abbildungsstrahlen (1, 2) für die alternierende Beaufschlagung einer elektronischen Bildaufnahmevorrichtung (14) mit den stereoskopischen Halbbildern enthält.

2. Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er an einer hinter dem Vergrößerungswechsler (5) eines Stereomikroskopes (20) befindlichen Schnittstelle (6) am Stereomikroskop (20) mit diesen verbindbar ist und daß er hinter seiner Schnittstelle (8) Strahlumlenkelemente für die stereoskopischen Abbildungsstrahlen (1, 2) enthält.

3. Adapter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlumlenkelemente teildurchlässig für die stereoskopischen Abbildungsstrahlen (1, 2) sind und sowohl eine Direktbeobachtung durch Okulare (10a, 10b) als auch eine Darstellung auf einer Fernsehkamera (14) ermöglichen.

4. Adapter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlumlenkelemente Prismen (7a, 7b) vorgesehen sind.

5. Adapter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlumlenkelemente schräggestellte Teilerplatten vorgesehen sind.

6. Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er an einer hinter den Strahlumlenkelementen (7a, 7b) befindlichen Schnittstelle (15) am Mikroskopkörper mit seiner Schnittstelle (9) verbindbar ist.

7. Adapter nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß er nach den Mitteln zur Zusammenführung der stereoskopischen Abbildungsstrahlen (1, 2) eine Fernsehkamera (14) enthält.

8. Adapter zur dreidimensionalen Darstellung von stereoskopischen Abbildungen auf einer elektronischen Bildwiedergabevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Schnittstelle (15, 16) aufweist zur Verbindung mit dem Beobachtungsrohr eines Stereo-Endoskops (30) und daß er Mittel zur alternierenden Unterbrechung und anschließenden Zusammenführung der stereo-endoskopischen Abbildungsstrahlen (31, 32) enthält für die alternierende Beaufschlagung einer elektronischen Bildaufnahmevorrichtung (14) mit den stereoskopischen Halbbildern.

9. Adapter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Ort der Schnittstelle (15) der Ort hinter dem optischen System (33) der Endoskopröhre (30) und Mitteln (17) zum Separieren der stereoskopischen Abbildungsstrahlen (31, 32) vorgesehen ist.

10. Adapter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Ort der Schnittstelle (16) ein Ort zwischen den strahlumlenkenden Mitteln (17) und Mitteln (11) zur alternierenden Unterbrechung der stereoskopischen Abbildungsstrahlen (31, 32) vorgesehen ist.

11. Adapter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur alternierenden Unterbrechung der stereoskopischen Abbildungsstrahlen (31, 32) Shutter- Elemente an sich bekannter Bauart vorgesehen sind.

12. Adapter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel für die Strahlzusammenführung und alternierende Beaufschlagung einer Fernsehkamera (14) Umlenkelemente (12) an sich bekannter Bauart vorgesehen sind.

13. Adapter zur dreidimensionalen Darstellung von stereo­ skopischen Abbildungen auf einer elektronischen Bildaufnahmevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Schnittstelle (21) aufweist zur Verbindung mit einem stereoskopischen Abbildungssystem, daß er Mittel zur alternierenden Unterbrechung und anschließenden Zusammenführung von stereoskopischen Abbildungsstrahlen (1a, 2a) für die alternierende Beaufschlagung einer Bildaufnahmevorrichtung (14) mit den stereoskopischen Halbbildern enthält.

14. Adapter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er als Bildaufnahmevorrichtung eine Fernsehkamera enthält.

15. Adapter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er eine weitere Schnittstelle (21) zum Anschluß an eine Bildaufnahmevorrichtung enthält.

16. Adapter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur alternierenden Unterbrechung der stereoskopischen Abbildungsstrahlen (1a, 2a) aus opti­ schen Polarisatoren (11c, 11d), Flüssigkristallschaltern (11e, 11f) und einem Analysator (11g) bestehen und daß die Mittel zur Strahlzusammenführung aus einem optischen Strahlumlenker (12a) und einem teildurchlässigen opti­ schen Umlenkelement (12b) bestehen.