DE4340461A1 - Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung.

In der Mikrochirurgie wird das vom Chirurgen eingesehene Sehfeld üblicherweise über ein Operationsmikroskop betrach­ tet. Neben dieser unmittelbaren Betrachtung des interes­ sierenden Sehfeldes über einen am Operationsmikroskop angeordneten binokularen Beobachtungstubus besteht ferner die Möglichkeit, aus den stereoskopischen Beobachtungs­ strahlengängen mittels geeigneter Strahlteiler-Elemente Teile der Beobachtungsstrahlengänge auf Video-Kameras aus­ zukoppeln und auf einem Monitor darzustellen.

Als problematisch erweist sich hierbei jedoch immer, die Intensitätsverhältnisse in den Beobachtungsstrahlengängen geeignet aufzuteilen, um eine hinreichende Intensität für die verwendeten CCD-Arrays der Video-Kameras zu erhalten. Andererseits darf auch nicht die Intensität im unmittel­ baren Beobachtungsstrahlengang derart reduziert werden, daß kein vernünftiger Seheindruck für den operierenden Chirur­ gen mehr resultiert.

In der US 4 987 488 ist zur Lösung dieser Problematik bereits vorgeschlagen worden, das Operationsmikroskop durch eine Video-Kamera-Anordnung zu ersetzen. Die in dieser Patentschrift vorgeschlagene Anordnung weist jedoch den entscheidenden Nachteil auf, daß hiermit kein stereo­ skopischer, d. h. räumlicher Eindruck des betrachteten Sehfeldes für den operierenden Chirurgen gewährleistet ist. Dies ist jedoch zwingend erforderlich, um die mikrochirur­ gischen Arbeiten mit der erforderlichen Genauigkeit durch­ zuführen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung zu schaffen, die eine möglichst flexiblen Einsatz gewährleistet und ferner sicherstellt, daß der Beobachter einen dreidimensionalen Gesamteindruck des betrachteten Sehfeldes dargeboten bekommt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine stereoskopische Bild­ aufnahmevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteran­ sprüchen.

Die erfindungsgemäße stereoskopische Bildaufnahme­ vorrichtung besteht aus dem bekannten optischen System eines Stereomikroskopes inclusive einer Objektiv-Baugruppe mit objektseitig fester Schnitt- oder Brennweite und dieser Objektiv-Baugruppe nachgeordneten optischen Elementen in zwei separaten Teil-Strahlengängen. Diese optischen Elemente dienen z. B. als Vergrößerungswechsel-Einrichtung und können als bekannter Galilei-Wechsler oder als Zoom- Vergrößerungswechsler ausgeführt werden. Bildseitig ist den optischen Elementen jeweils mindestens ein elektrooptischer Bildaufnehmer in den Teil-Strahlengängen nachgeordnet.

Erfindungsgemäß wird nunmehr vor der Objektiv-Baugruppe mit objektseitig fester Schnitt- oder Brennweite ein weiteres Objektiv angeordnet, das die Möglichkeit der variablen objektseitigen Entfernungseinstellung bietet. Zudem kann dieses Objektiv auch für eine variable Vergrößerung des betrachteten Objektes ausgelegt sein. Bildseitig ist eine definierte, feste Lage des durch dieses Objektiv erzeugten Zwischenbildes in einer entsprechenden Zwischenbildebene erforderlich.

Das Bild in dieser Zwischenbildebene wird über die nach­ folgend angeordnete Objektiv-Baugruppe betrachtet bzw. weiter auf die elektrooptischen Bildaufnehmer abgebildet. Die Objektiv-Baugruppe und das Objektiv zur variablen Ent­ fernungseinstellung bilden demnach ein gemeinsames Objek­ tiv-System mit einer internen Zwischenabbildung in eine Zwischenbildebene mit definierter, fester Lage.

Die erfindungsgemäße stereoskopische Bildaufnahme­ vorrichtung gewährleistet nunmehr, daß über ein einziges, für beiden Teilstrahlengänge gemeinsames optisches Objektiv-System die Fokussierung auf die gewünschte Sehfeldebene erfolgen kann. Desweiteren kann auch die Einstellung einer gewünschten Vergrößerung damit realisiert werden. Dies ist beispielsweise gegenüber Stereo- Kameraanordnungen ein immenser Vorteil, bei denen die Fokussierung der beiden konvergent-angeordneten Stereo- Kameras aufwendig synchronisiert werden muß. Hierzu sei etwa die US 4,999,713 beispielhaft erwähnt, in der die komplexe Synchronisation zweier Stereokamera-Zooms beschrieben wird und die beiden Kamera-Einheiten zudem in einem einzigen definierten Konvergenzwinkel zueinander angeordnet sind.

Dem Objektiv zur variablen Entfernungseinstellung können dabei optische Systeme nachgeordnet werden, die sowohl dem Grenough-Typ oder aber dem Teleskop-Typ aus Stereo­ mikroskopen entsprechen. Ferner können hierbei jederzeit noch weitere Vergrößerungsstufen wahlweise zwischen­ geschaltet werden. Insgesamt resultiert eine flexible Verwendung der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bild­ aufnahmevorrichtung.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Wiedergabe der auf­ genommenen Bilder nachgeordnet, die für eine Vielzahl von Beobachtern einen räumlichen Gesamteindruck des interes­ sierenden Sehfeldes anbietet.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, das Objektiv zur variablen Entfernungseinstellung mit einem Autofokussier­ system auszustatten. Hiermit wird gewährleistet, daß die interessierende Sehfeldebene jeweils scharf fokussiert auf einem geeigneten Display dargestellt wird. Hierfür kommen verschiedenste Autofokussiersysteme mit passiver oder aktiver Arbeitsweise in Betracht.

Im Gegensatz zu Stereokamera-Anordnungen, bei dem die beiden Kamera-Einheiten in einem definierten, festen Konvergenzwinkel zueinander angeordnet sind, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung des weiteren eine Variation der Stereobasis mit Hilfe einer Zwischenbaugruppe, wie sie etwa im Gebrauchsmuster G 93 05 447.5 der Anmelderin beschrieben ist und auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Insgesamt ist somit eine variable Einsatzmöglichkeit für die erfindungsgemäße Vorrichtung gewährleistet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.

Dabei zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des optischen Systems der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung mit einem gemeinsamen, festbrennweitigen Objektiv für zwei Teil- Strahlengänge;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des optischen Systems der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung mit zwei separaten Teil­ objektiven für zwei Teil-Strahlengänge;

Fig. 3 ein schematisiertes Blockschaltbild einer Gesamt- Anordnung, bestehend aus der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung und einer nachgeordneten Vorrichtung zur Darstellung dreidimensionaler Bilder.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des optischen Systems der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bildauf­ nahmevorrichtung schematisiert dargestellt.

Mit dem Bezugszeichen (1) sei hierbei ein erstes Objektiv bezeichnet, das eine objektseitig variable Entfernungs­ einstellung durch den Benutzer ermöglicht und zudem gestattet, die Vergrößerung zu variieren. Unterschiedliche objektseitige Entfernungseinstellungen dieses Objektives (1) sind in Fig. 1 durch die beiden objektseitigen Strahlengänge (A) und (B) dargestellt. Zur variablen Entfernungseinstellung können dabei verschiedene bekannte Alternativen eingesetzt werden. So ist es z. B. möglich, das komplette Objektiv (1) relativ zur Bildebene entsprechend der bekannten Abbildungsgleichung zu verschieben. Des weiteren kann jedoch auch nur eine oder mehrere der einzelnen Objektiv-Linsen verschoben werden, d. h. es ist auch eine Frontlinseneinstellung oder aber eine Innenfokussierung in bekannter Art und Weise realisierbar, um dergestalt die erforderliche variable Entfernungs­ einstellung zu gewährleisten.

Wesentlich ist bei den erwähnten Alternativen jeweils lediglich eine definierte, feste Bildlage des erzeugten Zwischenbildes, das vom nachgeordneten optischen System abgebildet bzw. über dieses optische System betrachtet wird, d. h. eine konstante bildseitige Schnittweite. Variabel ist bei den verschiedenen Varianten jeweils die objektseitige Schnitt- und/oder die objektseitige Brenn­ weite.

Das Objektiv (1) im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dabei als Objektiv mit fester Brennweite ausgeführt und ermöglicht eine Variation der objektseitigen Schnittweite im Intervall [∞; 0,8m]. Dieses - schematisiert dargestellte - Objektiv (1) weist einen bekannten Aufbau auf, wie etwa ein herkömmliches Photoobjektiv, z. B. das Zeiss Planar T*, 1 : 2, f=110mm. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind beispielhaft drei separate Linsen innerhalb des ersten Objektives (1) dargestellt, von denen eines oder mehrere entlang definierter Steuerkurven verschiebbar angeordnet sind, um dergestalt eine Variation der objektseitigen Schnitt- oder Brennweite zu ermöglichen. Das Verschieben einer einzelnen oder mehrerer Linsen kann in bekannter Art und Weise manuell oder aber motorisch erfolgen, wie es auch aus Photo-Objektiven bekannt ist.

Wie bereits erwähnt kann dieses Objektiv (1) auch komplett verschiebbar ausgelegt werden, um dergestalt die variable Entfernungseinstellung zu gewährleisten.

Das Objektiv (1) liefert nunmehr eine Abbildung des gewünschten Sehfeldes in eine definierte Zwischenbildebene (3). Die Lage der bildseitigen Zwischenbildebene (3) ist dabei fest, d. h. es liegt eine konstante bildseitige Schnittweite des Objektives (1) vor.

Das in der Zwischenbildebene (3) erzeugte Zwischenbild wird von der nachfolgend angeordneten Objektivbaugruppe (2) über optische Elemente (4a, 4b) in zwei separaten Teilstrahlen­ gängen auf zwei in diesen Teilstrahlengängen angeordnete elektrooptische Bildaufnehmer (5a, 5b) abgebildet. Die mittels der elektrooptischen Bildaufnehmer (5a, 5b) registrierten Signale können anschließend in bekannter Art und Weise weiter verarbeitet werden. Als geeignete elektro­ optische Bildaufnehmer (5a, 5b) dienen z. B. bekannte CCD- Arrays, wie sie etwa aus Video-Kameras bekannt sind.

Neben der Möglichkeit, zwei separate elektrooptische Bild­ aufnehmer in den Teilstrahlengängen vorzusehen, ist es aber auch möglich, lediglich einen einzigen elektrooptischen Bildaufnehmer für beide stereoskopischen Teilstrahlengänge zu verwenden, der sequentiell von den beiden Teilstrahlen­ gängen beaufschlagt wird. Hierzu ist vor dem jeweiligen elektrooptischen Bildaufnehmer ein geeignetes Shutter­ element angeordnet, welches mit dem Signal-Ausgang des elektrooptischen Bildaufnehmers synchronisiert wird. Geeignete Vorrichtungen mit einem entsprechenden Shutter- Element sind etwa detailliert in den Patentanmeldungen P 42 43 452.1 und P 42 43 556.0 der Anmelderin beschrieben, auf die hier ebenfalls ausdrücklich Bezug genommen sei.

In Fig. 1 ist desweiteren in schematisierter Form der Sende-Strahlengang eines aktiven Autofokussiersystemes (17) dargestellt, der eine Marke auf das Sehfeld projiziert, die wiederum über das Objektiv (1) auf einen - nicht dargestellten - Photodetektor abgebildet wird. Die In- Fokus-Position der Marke auf dem Photodetektor ist ein­ deutig definiert, so daß bei einem resultierenden Auswandern dieser Markierung ein Regelkreis das Objektiv (1) entsprechend nachfokussiert. Eine Beschreibung eines geeigneten Autofokussier-Systemes inclusive eines möglichen Signalverarbeitungsverfahrens ist z. B. in der Patentanmel­ dung P 41 31 737.8 der Anmelderin enthalten. Alternativ zum skizzierten, aktiven Autofokussiersystem ist jedoch auch jedes bekannte andere Autofokussiersystem in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein­ setzbar.

Wie bereits erwähnt, bietet die erfindungsgemäße Vorrich­ tung verschiedene Möglichkeiten, auch die Vergrößerung des betrachteten Objektdetails wunschweise einzustellen. So ist es möglich, das Objektiv (1) in Art und Weise eines bekann­ ten Zoom-Objektives auszulegen, das neben der variablen Entfernungseinstellung auch eine Möglichkeit zur Variation des Abbildungsmaßstabes anbietet. Konstant ist erneut die bildseitige Schnittweite, d. h. die definierte Lage der Zwischenbildebene.

Alternativ kann das Objektiv (1) wie oben erwähnt jedoch auch nur zur Entfernungseinstellung bei fester bildseitiger Schnittweite ausgelegt werden und die variable Vergrößerung über bekannte Vergrößerungswechsler, z. B. Galilei-Wechsler oder Zoom-Vergrößerungswechsler, in den stereoskopischen Teilstrahlengängen realisiert werden. Die gewünschte (Ausschnitts-) Vergrößerung wird dann in der gleichen Art und Weise eingestellt, wie es etwa auch aus herkömmlichen Stereo-Mikroskopen bekannt ist. Desweiteren ist es zur Variation der Vergrößerung auch möglich, eine oder mehrere komplett separate Vergrößerungs- Stufen zwischen der Zwischenbildebene und der nachfolgenden Objektiv-Baugruppe anzuordnen.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wurde die zweite Objektivbaugruppe (2) als gemeinsames optisches Element für die beiden Teilstrahlengänge ausgelegt.

Eine hierzu alternative Variante der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bildaufnahmevorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. Das erste Objektiv (10) dieses Ausführungs­ beispieles sowie die entsprechenden Strahlengänge (A′, B′) entsprechen dabei dem des ersten Ausführungsbeispieles in Fig. 1. Dies bedeutet, daß eine objektseitig variable Entfernungseinstellung des Objektives (10) vorliegt und gleichzeitig eine Abbildung des betrachteten Sehfeldes in eine definierte erste Zwischenbildebene (30) gewährleistet ist. Das gelieferte Zwischenbild wird nunmehr jedoch über zwei separate optische Elemente (40a, 40b) auf die beiden elektrooptischen Bildaufnehmer (50a, 50b) in den beiden Teil-Strahlengängen abgebildet. Die beiden optischen Elemente (40a, 40b) bzw. die hierdurch definierten Teil- Strahlengänge sind dabei bereits in einem definierten Stereowinkel zueinander angeordnet, der über eine geeignete Mechanik auch variabel ausgelegt sein kann.

Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die oben erwähnten Möglichkeiten zur Variation bzw. definierten Einstellung einer gewünschten Vergrößerung realisierbar.

Während demnach im ersten Ausführungsbeispiel der stereo­ skopischen Bildaufnahmevorrichtung in Fig. 1 das dem Objektiv (1) nachgeordnete optische System dem Teleskop­ system aus Stereomikroskopen ähnelt, ist im zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Bildaufnahme­ vorrichtung ein sogenanntes Greenough-System vorgesehen.

Ein schematisiertes Blockschaltbild einer Gesamtanordnung, bestehend aus der erfindungsgemäßen stereoskopischen Bild­ aufnahmevorrichtung sowie einer nachgeordneten Vorrichtung zur Darstellung dreidimensionaler Bilder ist in Fig. 3 skizziert.

Die Signale der elektrooptischen Bildaufnehmern (105a, 105b) werden dabei auf eine nachgeordnete Verarbeitungs­ einheit (110) durchgeschaltet. Die Verarbeitungseinheit (110) kann nunmehr ein sequentielles Stereobild auf einem geeigneten Display (120) liefern, bei dem die beiden stereoskopischen Teilbilder, aufgenommen durch die beiden elektrooptischen Bildaufnehmer (105a, 105b), als alternie­ rende Halbbilder auf dem Display (120) präsentiert werden. Über eine geeignet synchronisierte Shutterbrille (130) ist für den Beobachter die dreidimensionale Wahrnehmung dieser Bilder möglich.

Eine geeignete Vorrichtung zur Darstellung dreidimensio­ naler Bilder, d. h. der Verarbeitung der von den elektro­ optischen Bildaufnehmern gelieferten Signale, ist etwa in der internationalen Patentanmeldung WO 93/08665 der Anmelderin explizit dargestellt.

Die erfindungsgemäße stereoskopische Bildaufnahme­ vorrichtung eignet sich vorteilhafterweise zum Einsatz im Operationssaal, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise an der Decke des OPs angeordnet ist und derart Bilder vom Operationsgeschehen liefert, die etwa von Assistenzpersonal etc. auf einem geeigneten Display verfolgt werden können. Bei einer derartigen Anordnung ist ferner eine Beleuchtungseinrichtung vorgesehen, die das interessierende Sehfeld mit der erforderlichen Intensität aus leuchtet.

Besonders vorteilhaft erweist sich dabei die integrierte Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Operationsleuchte an der Decke des Operationssaales, um dergestalt eine kompakte Vorrichtung zur Verfügung zu haben. Justierprobleme für den Anwender wegen der erfor­ derlichen Relativ-Justierung von Beleuchtung und erfindungsgemäßer Bildaufnahme-Vorrichtung entfallen bei einer derartigen Kombination in einem einzigen Gehäuse. Neben der Verwendung im Operationssaal sind jedoch noch vielfältige weitere Einsatzmöglichkeiten für die erfindungsgemäße stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung realisierbar.

Claims (12)

1. Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung, bestehend aus

• - einem ersten Objektiv (1, 10) mit objektseitig variabler Entfernungseinstellung, das eine Abbildung in eine definierte erste Zwischen­ bildebene (3, 30) bewirkt,
• - einer dem ersten Objektiv (1, 10) nachgeordneten zweiten Objektiv-Baugruppe (2, 40a, 40b) mit objektseitig fester Schnittweite, das von einem Bild in der ersten Zwischenbildebene (3, 30) eine Unendlich-Abbildung bewirkt,
• - sowie der zweiten Objektiv-Baugruppe (2, 40a, 40b) nachgeordneten optischen Elementen (4a, 4b) in zwei separaten Teil-Strahlengängen, die stereoskopische Teilbilder in definierten Bild- Ebenen liefern, und
• - in den Bild-Ebenen der beiden Teil-Strahlengänge angeordneten elektrooptischen Bildaufnehmern (5a, 5b, 50a, 50b).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Objektiv (1, 10) eine variable Vergrößerungseinstellung ermöglicht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Entfernungseinstellung das komplette erste Objektiv (1, 10) entlang der optischen Achse verschiebbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein oder mehrere einzelne Elemente des ersten Objektives (1, 10) zur Entfernungseinstellung entlang der optischen Achse verschiebbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei in den Teil- Strahlengängen eine Vergrößerungswechsel-Einrichtung angeordnet ist.

6. Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei den elektrooptischen Bildaufnehmern (5a, 5b, 50a, 50b) eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Darstellung der aufgenommenen Bilder nachgeordnet ist, die mindestens ein Display (120) umfaßt.

7. Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Vorrichtung zur dreidimensionalen Darstellung der aufgenommenen Bilder die stereo­ skopischen Teilbilder in sequentieller Folge auf dem Display (120) darstellt und ferner mindestens eine schaltbare Blende umfaßt, die derart geschaltet ist, daß die stereoskopischen Teilbilder jeweils einem Betrachter-Auge zugeordnet sind.

8. Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Objektiv-Baugruppe (2) aus einem einzigen ein- oder mehrteiligen, festbrennweitigen Objektiv für beide Teil-Strahlengänge besteht und die Schnittweite auf die Lage der ersten Zwischenbildebene (3) abgestimmt ist.

9. Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Objektiv-Baugruppe aus zwei separaten, den beiden Teil-Strahlengängen zugeordneten ein- oder mehrteiligen, jeweils festbrennweitigen Teil-Objektiven (40a, 40b) besteht.

10. Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Entfernungseinstellung des ersten Objektives (1, 10) motorisch erfolgt und diesem ersten Objektiv eine Autofokussier-Einrichtung (10) zugeordnet ist.

11. Stereoskopische Bildaufnahmevorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ferner eine Beleuchtungseinrichtung vorgesehen ist, die das zu beobachtende Sehfeld hinreichend erhellt und zusammen mit der stereoskopischen Bildaufnahme­ vorrichtung in einem einzigen Gehäuse angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Gehäuse an der Decke eines Operationssaales angeordnet ist.