DE10301101A1

DE10301101A1 - Vorrichtung zur Auswahl eines Bildausschnittes bei einem optischen Beobachtungsgerät

Info

Publication number: DE10301101A1
Application number: DE2003101101
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Haisch
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2004-07-22

Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Auswahl eines Bildausschnittes bei einem optischen Beobachtungsgerät mit einer Betrachungsvorrichtung 7 zum Betrachten eines Bildes 5, welche eine zum Betrachten des Bildes 5 wirksame aktive Fläche 11 aufweist, zur Verfügung gestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Verschiebeeinrichtung 13a-13d umfasst, die derart in der Betrachtungsvorrichtung angeordnet oder im optischen Beobachtungsgerät anzuordnen und derart ausgestaltet ist, dass sich das Bild 5 und die aktive Fläche 11 um einen Betrag gegeneinander verschieben lassen, der die Auflösung der Betrachtungsvorrichtung übersteigt. Die Betrachtungsvorrichtung 7 kann insbesondere eine Videovorrichtung mit einer Videokamera 9 sein. Die aktive Fläche 11 ist dann durch die aktive Kamerafläche gegeben, welche bspw. die Fläche eines Bildsensors oder einer Kameraoptik, welche das Bild auf einen Bildsensor abbildet, ist. Als Bildsensor kann bspw. ein CCD-Chip (CCD: Charge Coupled Device) Verwendung finden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Auswahl eines Bildausschnittes bei einem optischen Beobachtungsgerät sowie ein optisches Beobachtungsgerät mit einer derartigen Vorrichtung.

Optische Beobachtungsgeräte, wie etwa Mikroskope, Teleskope oder Endoskope werden bspw. dazu verwendet, kleine, weit entfernte bzw. schwer zugängliche Objekte zu betrachten. In einem solchen Gerät werden die Objekte häufig mittels einer Optik, die im einfachsten Fall eine Objektivlinse sein kann, als Bild oder Zwischenbild auf eine Bildebene bzw. eine Zwischenbildebene, abgebildet. Mittels eines Okulars kann dieses Bild bzw. Zwischenbild vergrößert betrachtet werden. Im Folgenden werden der Einfachheit halber nur die Begriffe Bild und Bildebene verwendet. Es versteht sich jedoch, dass darunter auch ein Zwischenbild bzw. eine Zwischenbildebene zu verstehen sein können.

Oftmals besteht der Wunsch, das Bild einer elektronischen Analyse zuzuführen. Außerdem ist es häufig wünschenswert, das Bild nicht nur einer durch das optische Beobachtungsgerät fest vorgegebenen Zahl von Betrachtern zugänglich zu machen. Um das gleichzeitige Betrachten des Bildes durch eine beliebige Zahl von Betrachtern zu ermöglichen, kann das Bild von einer Kamera aufgenommen und das aufgenommene Bild auf einem Monitor oder mehreren Monitoren dargestellt werden. Daneben ermöglicht insbesondere das Aufnehmen des Bildes mit einer digitalen Kamera eine elektronische Analyse des Bildes. Ein mit einer Videokamera kombiniertes Mikroskop, in welchem das Bild vom Bildsensor der Videokamera aufgenommen wird, ist beispielsweise in JP 910 28 99 A beschrieben.

Gegenüber dem Betrachten mittels Okular hat das Aufnehmen des Bildes mit einer Kamera jedoch den Nachteil, dass die Auflösung der Kamera unter der des menschlichen Auges liegt. Dies gilt insbesondere für digitale Kameras. Oftmals ist jedoch eine hohe Bildqualität wichtig, so dass ein Ausgleich für die geringere Auflösung der Kamera geschaffen werden muss. Beispielsweise bei Video-Operationsmikroskopen fordern die Chirurgen dieselbe Bildqualität wie bei Operationsmikroskopen mit Okularen. Um dieselbe Bildqualität zu erzielen, ist der Chirurg beim Verwenden eines Video-Operationsmikroskops wegen der gegenüber dem Auge geringeren Auflösung der Kamera gezwungen, bei höherer Vergrößerung zu arbeiten. Je höher der Chirurg die Vergrößerung wählt, desto mehr schränkt er jedoch sein Sehfeld bzw. Objektfeld ein.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung für optische Beobachtungsgeräte zu schaffen, welche die genannten Probleme zu überwinden hilft. Außerdem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Beobachtungsgerät mit einer derartigen Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.

Die erste Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ein optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 12. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Auswahl eines Bildausschnittes bei einem optischen Beobachtungsgerät mit einer Betrachtungsvorrichtung zum Betrachten eines Bildes, welche eine zum Betrachten des Bildes wirksame aktive Fläche aufweist, zur Verfügung gestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Verschiebeeinrichtung umfasst, die derart in der Betrachtungsvorrichtung angeordnet oder im optischen Beobachtungsgerät anzuordnen und derart ausgestaltet ist, dass sich das Bild und die aktive Fläche um einen Betrag gegeneinander verschieben lassen, der die Auflösung der Betrachtungsvorrichtung übersteigt.

Die Betrachtungsvorrichtung kann insbesondere eine Videovorrichtung mit einer Videokamera sein. Die aktive Fläche ist dann durch die aktive Kamerafläche gegeben, welche bspw. die Fläche eines Bildsensors oder einer Kameraoptik, welche das Bild auf einen Bildsensor abbildet, ist. Als Bildsensor kann bspw. ein CCD-Chip (CCD: Charge Coupled Device) Verwendung finden. Der Betrag, um den sich die aktive Kamerafläche und das Bild gegeneinander verschieben lassen ist dann größer, vorzugsweise deutlich größer, als der Pixelabstand des Bildsensors, damit die Verschiebung wahrnehmbar ist.

Die Erfindung beruht auf den folgenden Überlegungen: Aufgrund der geringeren Auflösung einer Videokamera gegenüber dem menschlichen Auge, führt das Betrachten eines vom optischen Beobachtungsgerät erzeugten Bildes mittels einer Videovorrichtung im Vergleich zum Betrachten mit einem Okular zu einer geringeren Bildqualität. Um die geringere Auflösung der Kamera auszugleichen, kann beim Verwenden der Videovorrichtung mit einem höheren Vergrößerungsfaktor für das von der Optik erzeugte Bild als beim Verwenden von Okularen gearbeitet werden. Der höhere Vergrößerungsfaktor führt ohne gleichzeitiges Ändern der Optik jedoch zu einer unerwünschten Einschränkung des Objektfeldes. Die Optik des optischen Beobachtungsgerätes kann nun so ausgelegt werden, dass auch bei einem hohen Vergrößerungsfaktor ein großes Objektfeld vorliegt. Dies bedeutet aber auch, dass die Ausdehnung des Bildes in der Bildebene vergrößert wird. Die aktive Fläche der Kamera kann aber nicht nach Belieben vergrößert werden, ohne rasch an die Grenzen des technisch und finanziell Machbaren zu stoßen. Mit der Kamera kann daher nur ein Ausschnitt des ausgedehnten Bildes aufgenommen werden, welcher der aktiven Kamerafläche entspricht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es nun, bei einem ausgedehnten Bild den zu betrachtenden Ausschnitt des Bildes auszuwählen und zu ändern. Der Betrachter ist daher beim Betrachten nicht allein auf den von der aktuellen Position der aktiven Kamerafläche festgelegten Ausschnitt beschränkt, sondern kann durch gegeneinander Verschieben von Bild und aktiver Kamerafläche nach und nach das gesamte Bild betrachten. Die Verschiebeeinrichtung ermöglicht es daher auch bei einer Optik mit großem Objektfeld, also bei einer großen Ausdehnung des Bildes in der Bildebene, das gesamte Objektfeld für die aktive Kamerafläche zugänglich zu machen.

Aber auch, wenn das Bild mit einem Okular betrachtet wird, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung von Vorteil sein. Die Vorrichtung bietet auch in diesem Fall die Möglichkeit, mit einer hohen Vergrößerung zu arbeiten, die ein Bild erzeugt, welches größer ist, als die aktive Fläche des Okulars. Als aktive Fläche des Okulars ist diejenige Fläche in der Bildebene anzusehen, die mittels des Okulars der Betrachtung zugänglich ist. Durch Verschieben des Bildes relativ zur aktiven Fläche des Okulars, d.h. relativ zum Okular selbst, kann das gesamte große Bild betrachtet werden. Dadurch kann selbst bei einer hohen Vergrößerung ein großer Objektausschnitt betrachtet werden, ohne dass das Objektiv des Mikroskops verschoben werden muss.

Die Verschiebeeinrichtung kann in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart realisiert sein, dass sie einen Aktuator oder mehrere Aktuatoren, bspw. piezoelektrische, elektromotorische oder hydraulische Aktuatoren, zum Verschieben der aktiven Fläche gegenüber dem ortsfesten Bild umfasst, der bzw. die in die Betrachtungsvorrichtung einzubringen ist bzw. sind. Ist die Betrachtungsvorrichtung eine Videovorrichtung, so können der Aktuator bzw. die Aktuatoren in die Kameraaufhängung integriert werden. Umfasst die Betrachtungsvorrichtung ein oder mehrere Okulare, so ist der Aktuator bzw. sind die Aktuatoren z.B. derart in die Okularhalterung zu integrieren, dass sich das Okular bzw. die Okulare gegenüber dem ortsfesten Bild verschieben lassen.

In einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Verschiebeeinrichtung derart realisiert sein, dass sie ein im Strahlengang der Optik zu plazierendes optisches Element umfasst, das zum Ablenken des Strahlengangs um einen definiert wählbaren Winkel ausgestaltet ist.

In der Ausgestaltung, in welcher die Verschiebung durch Bewegen der aktiven Fläche realisiert wird, erfordert das Ausstatten eines optischen Beobachtungsgerätes mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kein Einführen von zusätzlichen Elementen in die Optik des Gerätes, jedoch eine gegenüber konventionellen Geräten aufwendigere Kameraaufhängung. In der Ausgestaltung, in der die Verschiebung durch eine Ablenkung des Strahlengangs realisiert wird, sind beim Ausstatten eines optischen Beobachtungsgerätes mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzliche Elemente in den Strahlengang der Optik des Gerätes einzuführen, es kann dafür aber eine einfach gestaltete Kameraaufhängung beibehalten werden.

In einer Ausgestaltung umfasst das optische Element zwei gegeneinander verdrehbare Prismenkeile, welche derart in den Strahlengang einzufügen sind, dass die Ablenkung durch ein gegeneinander Verdrehen der beiden Prismenkeile herbeiführbar ist.

In einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das optische Element statt der verdrehbaren Prismenkeile einen oder mehrere verkippbare Spiegel umfassen. Als weitere Alternativen zu den verdrehbaren Prismenkeilen kann das optische Element auch ein um zwei Achsen drehbares Umlenkprisma oder ein Scannersystem umfassen.

Um einem Betrachter beim Betrachteten des in der Bildebene erzeugten Bildes das Anfahren eines Bildausschnittes zu ermöglichen, umfasst die Betrachtungsvorrichtung vorzugsweise eine Steuereinheit zum Steuern der relativen Verschiebung von Bild und aktiver Fläche. Die Steuereinheit kann eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Kopf- oder Augenbewegung eines Benutzers des optischen Beobachtungsgerätes und eine Übersetzungseinrichtung zum Übersetzen der Kopf- bzw. der Augenbewegung in eine relative Verschiebung von aktiver Fläche und Bild gegeneinander umfassen. Der Benutzer des optischen Beobachtungsgerätes kann die Verschiebung damit auch dann steuern, wenn er, wie bspw. ein operierender Chirurg, keine Hand zum Steuern frei hat.

Ein erfindungsgemäßes optisches Beobachtungsgerät umfasst eine Betrachtungsvorrichtung zum Betrachten eines Bildes, welche eine zur Betrachtung wirksame aktive Fläche aufweist, eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Auswahl eines Bildausschnittes und eine Optik zum Erzeugen des Bildes. Die Optik ist dabei derart ausgelegt, dass die Ausdehnung des Bildes größer als die aktive Fläche der Betrachtungsvorrichtung ist, d.h. im optischen Beobachtungsgerät kann eine Optik Verwendung finden, deren bildseitige Brennweite so groß ist, dass die Bildebene größer als die aktive Fläche ist. Ein derartiges optisches Beobachtungsgerät kann bspw. ein Teleskop, ein Mikroskop, insbesondere ein Operationsmikroskop, oder ein Endoskop sein.

Um die gegenüber dem menschlichen Auge geringere Auflösung einer Kamera auszugleichen, kann bspw. das in der Bildebene eines mit einer Videokamera versehenen optischen Beobachtungsgerätes abgebildete Objekt gegenüber einem mit Okularen versehenen Gerät mit einer höheren Vergrößerung dargestellt werden. Eine höhere Vergrößerung bedeutet bei gleicher Optik jedoch ein geringeres Objektfeld. Damit das erfindungsgemäße optische Beobachtungsgerät bei gleicher Bildqualität wie bei einem mit Okularen ausgestatteten optischen Beobachtungsgerät keine oder keine starke Einschränkung des Objektfeldes aufgrund der höheren Vergrößerung aufweist, ist es mit einer Optik ausgestattet, bei der das in der Bildebene abgebildete Bild eine größere Ausdehnung besitzt, als das Bild in einem mit Okularen ausgestatteten optischen Beobachtungsgerät. Um ein Betrachten des gesamten ausgedehnten Bildes zu ermöglichen, ohne die aktive Fläche der Betrachtungsvorrichtung vergrößern zu müssen, können die Bildebene und die aktive Fläche gegeneinander verschoben werden. Der Betrachter ist daher beim Betrachten des Bildes nicht allein auf den von der aktuellen Position der aktiven Fläche festgelegten Ausschnitt beschränkt, sondern kann durch relatives Verschieben von aktiver Fläche und Bild das gesamte in der Bildebene erzeugte Bild betrachten. Die Verschiebeeinrichtung ermöglicht es daher auch bei einer Optik mit großem Objektfeld, also bei einer großen Ausdehnung des Bildes in der Bildebene, das gesamte Objektfeld für die aktive Fläche der Betrachtungsvorrichtung zugänglich zu machen.

Das optische Beobachtungsgerät kann als ein stereoskopisches Beobachtungsgerät mit mehr als einem Beobachtungskanal ausgebildet sein. In einer Ausführungsform umfasst jeder Beobachtungskanal eine eigene Verschiebeeinrichtung. Das optische Beobachtungsgerät umfasst dann vorzugsweise außerdem eine Kopplungseinrichtung zum Koppeln der Verschiebeeinrichtungen der Beobachtungskanäle derart, dass eine synchrone Verschiebung der stereoskopischen Teilbilder erfolgt. In einer alternativen Ausführungsform ist die Verschiebeeinrichtung derart ausgestaltet, dass sie gleichzeitig auf beide Beobachtungskanäle einwirkt. Dies ist insbesondere dadurch erreichbar, dass als optisches Element ein großes, sich durch beide Beobachtungskanäle erstreckendes optisches Element eingesetzt wird. Eine Kopplungseinrichtung ist dann nicht nötig.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht.
2 zeigt das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Draufsicht.
3a u. 3b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht
4a – 4c zeigen zwei Prismenkeile in verschiedenen gegeneinander verdrehten Stellungen
5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht.
6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht.
7 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in den 1 und 2 dargestellt. 1 stellt einen Schnitt entlang der optischen Achse eines Operationsmikroskops dar. Es ist ein abzubildendes Objekt 1, eine Optik 2 mit einer achromatischen Objektivlinse 3 und weiteren, hier nicht näher zu erläuternden Linsen 6 und ein von der Optik 2 in eine Bildebene 4 abgebildetes Bild 5 des Objektes 1 zu erkennen (s. auch 2). Die Optik 2 besitzt eine große bildseitige Brennweite, so dass sie ein großes Bild 5 des Objektes 1 in der Bildebene 4 erzeugt.
Das Operationsmikroskop ist mit einer Videovorrichtung 7 ausgestattet. Diese umfasst eine Videokamera 9 mit einer aktiven Kamerafläche 11, die kleiner ist, als das von der Optik 2 in die Bildebene 4 abgebildete Bild 5. Die aktive Kamerafläche ist im dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Ausdehnung eines CCD-Chips bestimmt.
Um das gesamte Bild 5 für die Kamera 9, d.h. für die aktive Fläche 11 der Kamera 9, zugänglich zu machen, umfasst die Videovorrichtung 7 vier an der Kamera 9 angreifende piezoelektrische Elemente 13a – 13d, die ein laterales Bewegen der Kamera 9 und damit der aktiven Kamerafläche 11 in der Bildebene 4 ermöglichen. Die piezoelektrischen Elemente 13a – 13d ermöglichen es, durch Anlegen einer Zug- oder Schubkraft an die Kamera 9 die aktive Kamerafläche 11 genau zu positionieren. Zwar sind in 2 vier Aktuatoren 13a – 13d dargestellt, jedoch kann die Bewegung der aktiven Kamerafläche 11 in der Bildebene 4 auch mit weniger Aktuatoren erreicht werden. Bei Verwendung von zwei Aktuatoren müssen diese in der Lage sein, die Kamera 9 bzw. die aktive Kamerafläche 11 sowohl zu „schieben" als auch zu „ziehen"; wird nur ein Aktuator verwendet, so muss dieser in der Lage sein, eine zweidimensionale Bewegung der aktiven Kamerafläche in der Bildebene 4 herbeizuführen.
Zum Steuern der Bewegung der aktiven Kamerafläche 11 umfasst die Videovorrichtung 7 ein System (nicht dargestellt) zum Erfassen der Kopfbewegung des Benutzers, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Chirurg ist. Ein solches System kann beispielsweise ein bekanntes System zur chirurgischen Navigation oder ein referenzfreies Trackingsystem sein. Das Übersetzen der Kopfbewegung in die Bewegung der aktiven Kamerafläche 11 erfolgt mittels einer Übersetzungseinrichtung derart, dass das Bild raumfest erscheint. Wird zum Beispiel zum Betrachten des Bildes ein Head Mounted Display verwendet, welches das von der Kamera aufgenommene Bild mit einem Bildwinkel von 32° × 24°, d.h. 32° in x-Richtung und 24° in y-Richtung, anzeigt, so führt eine Drehung des Kopfes um 4° in x-Richtung zu einer Bewegung der Kamera 9 um ein Achtel der aktiven Kamerafläche 11 in x-Richtung. Ebenfalls möglich ist es, die Bewegung der aktiven Kamerafläche 11 statt über die Kopfbewegung über die Bewegung der Augen (Eye-Tracking) zu steuern. Falls der Benutzer eines mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Auswahl eines Bildausschnittes ausgestatteten optischen Beobachtungsgerätes die Hände zum Steuern der aktiven Kamerafläche 11 frei hat, so kann die Steuerung statt über die Kopf- oder Augenbewegung einfach anhand eines manuellen Steuerelementes, bspw. eines Joysticks, erfolgen. Der konstruktive Aufwand der Videovorrichtung kann dadurch verringert werden.
Anstatt die gesamte Kamera zu verschieben, ist es auch möglich, eine Kamera zu verwenden, in welcher Aktuatoren zum Verschieben des Bildsensors vorhanden sind.
An die Stelle der aktiven Kamerafläche kann in einer alternativen Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels auch die aktive Fläche mindestens eines Okulars treten, welches von einer verschiebbaren Okularhalterung gehalten wird. Die von den piezoelektrischen Elementen ausgehende Zug- oder Schubkraft greift dann statt an der Kamera an der Okularhalterung an, um ein laterales Verschieben des mindestens einen Okulars zu ermöglichen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 3a und 3b dargestellt. Die dargestellte Videovorrichtung 7 ist wiederum beispielhaft in ein Mikroskop eingebaut. Von der Videovorrichtung 7 des ersten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich die in 3 dargestellte Videovorrichtung 7 dadurch, dass die Kamera 9 ortsfest aufgehängt ist. Die Objektivlinse 3 ist so ausgeführt, dass sie das Objekt 1 nach unendlich abbildet, d.h. aus einem von einem Objektpunkt stammenden divergenten Strahlenbündel ein paralleles Strahlenbündel 14 erzeugt. Das parallele Strahlenbündel 14 ist in den 3a und 3b durch seinen Mittelstrahl (strichpunktiert) und seine Randstrahlen (gepunktet) angedeutet. Durch die weitere Linse 6 wird das Strahlenbündel 14 auf die aktive Kamerafläche 11 fokussiert, d.h. das Objekt von unendlich auf die aktive Kamerafläche 11 abgebildet.
Zwischen der Objektivlinse 3 und der weiteren Linse 6 befindet sich ein kofigurierbares optisches Element 15. In einer „neutralen" Konfiguration des optischen Elementes (3a) werden die Strahlen des zur optischen Achse parallelen Strahlenbündels 14 von der Linse 6 auf den Mittelpunkt der aktiven Kamerafläche fokussiert. Unter der „Neutralität" dieser Konfiguration ist Folgendes zu verstehen: Zwar wird das Strahlenbündel 14 in der „neutralen" Konfiguration durch das optische Element 15 lateral versetzt, jedoch ohne sie aus ihrer Richtung abzulenken, d.h. das Strahlenbündel 15 verläuft weiterhin parallel zur optischen Achse. Da alle parallelen Strahlen von der Linse 6 im Wesentlichen auf denselben Brennpunkt fokussiert werden, hat der Versatz des Strahlenbündels keine Auswirkungen auf die Position des Brennpunktes; der Brennpunkt ist daher derselbe, als wenn das optische Element 15 im Strahlengang nicht vorhanden wäre.
In anderen als der neutralen Konfiguration des optischen Elementes 15 wird das parallele Strahlenbündel 14 derart abgelenkt, dass seine Strahlen einen Winkel mit der optischen Achse des Mikroskops einschließen (3b). Dieser von der Konfiguration des optischen Elementes 15 abhängige Winkel führt zu einer lateralen Verschiebung des Brennpunktes des Strahlenbündels 14 und damit zu einer lateralen Verschiebung des Bildes 5 relativ zur aktiven Kamerafläche 11.
Im Folgenden wird das optische Element 15 sowie seine Wirkung auf das parallele Strahlenbündel unter Bezugnahme auf die 4a – 4c näher beschrieben.
4a zeigt das optische Element 15 in seiner neutralen Konfiguration. Es umfasst zwei im Strahlengang axial hintereinander angeordnete Prismenkeile 16, 17 mit gleicher Brechzahl n. Die Prismenkeile 16, 17 sind als Zylinder ausgeführt, bei denen die einander abgewandten axialen Endflächen 18, 19 abgeschrägt sind, d.h. die Normalen dieser Endflächen 18, 19 schließen einen Winkel mit der optischen Achse OA des Mikroskops ein. Die beiden einander zugewandten Endflächen 20, 21 der Prismenkeile 16, 17 verlaufen dagegen senkrecht zur optischen Achse OA des Mikroskops, d.h. ihre Normalen verlaufen parallel zur optischen Achse OA. In der neutralen Konfiguration verlaufen außer den einander zugewandten Endflächen 20 und 21 auch die einander abgewandten Endflächen 18 und 19 parallel zueinander. Aufgrund der gleichen Brechzahl n der beiden Prismenkeile 16, 17 führt diese Konfiguration lediglich zu einem Parallelversatz des parallelen Strahlenbündels 14, d.h. die Strahlen des Strahlenbündels verlaufen sowohl vor ihrem Durchtritt durch die Prismenkeile 16, 17 als auch nach ihrem Durchtritt durch die Prismenkeile parallel zur optischen Achse OA. Der Übersichtlichkeit wegen ist in den 4a – 4c lediglich ein Strahl des parallelen Strahlenbündels 14 dargestellt. Das Gesagte gilt jedoch ebenso für die übrigen Strahlen des parallelen Strahlenbündels 14.
Die Konfiguration des optischen Elementes 15 kann durch gegeneinander Verdrehen der Prismenkeile 16, 17 mit der optischen Achse OA des Mikroskops als Drehachse geändert werden. In den 4b und 4c sind weitere Konfigurationen der Prismenkeile 16, 17 dargestellt, in denen diese um 180° bzw. 90° relativ zueinander verdreht sind.
4 b zeigt eine Konfiguration, in welcher der untere Prismenkeil 17 im Vergleich zur neutralen Konfiguration um 180° gegenüber dem oberen Prismenkeil 16 verdreht ist. Beide Prismenkeile 16, 17 lenken einen einfallenden Strahl in dieselbe Richtung ab. In 4b erfolgt die Ablenkung innerhalb der Zeichenebene nach links, eine Ablenkung aus der Zeichenebene heraus erfolgt in der in 4b dargestellten Konfiguration nicht. Insgesamt lenkt der Durchtritt durch die beiden Prismenkeile 16, 17 den Strahl um einen Winkel θ₁ aus der Richtung der optischen Achse ab, d.h. nach dem Durchtritt schließt der Strahl den Winkel θ₁ mit der optischen Achse OA ein. Durch gemeinsames Drehen der beiden Prismenkeile 16, 17 derart, dass die relative Verdrehung der Prismenkeile 16, 17 um 180° zueinander erhalten bleibt, also die Konfiguration nicht geändert wird, kann der abgelenkte Strahl um die optische Achse OA gedreht werden. Bei dieser Drehung beschreibt der abgelenkte Strahl eine Kegelfläche mit einem Öffnungswinkel, der durch die Ablenkung θ₁ gegeben ist. Somit kann mit dieser Konfiguration eine Ablenkung des einfallenden Strahls in alle auf der Kegelfläche liegenden Richtungen erfolgen.
4c zeigt eine Konfiguration des optischen Elements 15, in welcher der untere Prismenkeil 17 im Vergleich zur neutralen Konfiguration um 90° im Uhrzeigersinn gegenüber dem oberen Prismenkeil 16 verdreht ist. In dieser Konfiguration sorgt der untere Prismenkeil 17 für eine Ablenkung des einfallenden Strahls aus der Zeichenebene heraus und der obere Prismenkeil 16 für eine Ablenkung des Strahls innerhalb der Zeichenebene nach links. Da die Prismenkeile 16, 17 im Gegensatz zur in 4b dargestellten Konfiguration nicht in die gleiche Richtung wirken, ist der Winkel θ₂, den der abgelenkte Strahl mit der optischen Achse einschließt, kleiner als der Winkel θ₁. Durch gemeinsames Drehen der beiden Prismenkeile 16, 17 derart, dass die relative Verdrehung der Prismenkeile 16, 17 um 90° zueinander erhalten bleibt, also die Konfiguration nicht geändert wird, kann auch in dieser Konfiguration der abgelenkte Strahl um die optische Achse OA gedreht werden. Die bei dieser Drehung vom abgelenkten Strahl beschriebene Kegelfläche besitzt einen Öffnungswinkel, der durch die Ablenkung θ₂ gegeben ist und damit kleiner ist, als der Öffnungswinkel der Kegelfläche, die bei der in 4b dargestellten Konfiguration entsteht.
Durch Einstellen verschiedener Konfigurationen und Drehen der eingestellten Konfiguration um die optische Achse können mit dem abgelenkten Strahl Kegelflächen beschrieben werden, deren Öffnungswinkel zwischen 0° und einem durch den maximalen Ablenkungswinkel θ_max des Strahls gegebenen Öffnungswinkel variiert. Der maximale Ablenkungswinkel θ_max wird erreicht, wenn der untere Prismenkeil 17 gegenüber dem oberen Prismenkeil um 180° verdreht ist (4b), wobei der Wert des maximalen Ablenkungswinkels θ_max vom Winkel zwischen den Keilflächen der Prismenkeile und der Brechzahl n der Prismenkeile abhängt.
Mit den Prismenkeilen 16, 17 kann das Strahlenbündel 14 durch die Kombination einer Verdrehung der Prismenkeile 16, 17 gegeneinander mit einer gemeinsamen Drehung beider Prismenkeile 16, 17 um die optische Achse OA in eine weitgehend beliebige Richtung abgelenkt werden. Dadurch ist ein Verschieben des Brennpunktes in der zweidimensionalen Bildebene und damit des von der Optik erzeugten Bildes 5 sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung möglich. Allerdings müssen das Bild 5 und die aktive Kamerafläche 11 nicht unbedingt in zwei Richtungen gegeneinander verschiebbar sein. Je nach Anwendungszweck des mit der Videovorrichtung 7 ausgestatteten optischen Beobachtungsgerätes kann es auch ausreichen, wenn nur ein Verschieben in eine Richtung möglich ist.
5 zeigt als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch ein stereoskopisches Operationsmikroskop, in welchem eine Videovorrichtung 107 zusammen mit einer Vorrichtung zur Auswahl eines Bildausschnittes zum Einsatz kommt. In einem stereoskopischen Mikroskop werden in der Regel zwei Teilbilder, die das betrachtete Objekt 101 unter verschiedenen Blickwinkeln darstellen, erzeugt. Das stereoskopische Operationsmikroskop umfasst daher zwei Beobachtungskanäle 100a und 100b, welche jeweils im Wesentlichen der mit Bezug auf 3 beschriebenen Ausführungsform entsprechen, d.h. jeder Beobachtungskanal 100a, 100b umfasst zum gegeneinander Verschieben von aktiver Kamerafläche 111a, 111b und dem im jeweiligen Beobachtungskanal 100a, 100b erzeugten Bild ein optisches Element 115a, 115b, welches zwei gegeneinander verdrehbare Prismenkeile 116a, 117a, 116b, 117b umfasst. Die beiden optischen Elemente 115a, 115b sind dabei derart gekoppelt, dass sie für beide Teilbilder das parallele Strahlenbündel 114a, 114b gleich ablenken. Die parallelen Strahlenbündel 114a, 114b sind in 5 durch ihre Mittelstrahlen angedeutet. Der Einfachheit halber ist die Ablenkung der Mittelstrahlen durch die jeweiligen, sich in ihrer „neutralen" Konfiguration befindenden optischen Elemente 115a, 115b, sowie der daraus resultierende Parallelversatz der Mittelstrahlen nicht eingezeichnet.
Den beiden Beobachtungskanälen 100a, 100b des stereoskopischen Operationsmikroskops ist eine gemeinsame achromatische Objektivlinse 119 vorgeschaltet. Außerdem enthält jeder Beobachtungskanal 100a, 100b statt einer weiteren Linse zwei weitere Linsen 106a, 106b, 106a', 106b', deren Funktion im Wesentlichen jedoch der einzelnen Linse 6 in 3 entspricht. Da jeder Beobachtungskanal 100a, 100b im Übrigen der in 3 dargestellten Ausführungsform entspricht, werden sie hier nicht näher beschrieben. Statt dessen wird auf die Beschreibung zu 3 verwiesen, mit der Maßgabe, dass die Bezugsziffern gegenüber denen aus 3 um 100 erhöht und den Bezugsziffern des ersten Beobachtungskanals 100a jeweils ein „a" hinzugefügt ist, während den Bezugsziffern des zweiten Beobachtungskanals 100b jeweils ein „b" hinzugefügt ist.
Ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in 6 dargestellt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind eine Videovorrichtung 107 und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Auswahl eines Bildausschnittes in ein steroskopisches Operationsmikroskop eingebaut. Wie im Operationsmikroskop aus 3 wird zum Verschieben der stereoskopi schen Teilbilder gegenüber den entsprechenden aktiven Kameraflächen 111a, 111b ein optisches Element 115 eingesetzt, welches in seinem Aufbau dem mit Bezug auf die 3 und 4a – 4c beschriebenen optischen Element 15 gleicht. Jedoch ist es im vierten Ausführungsbeispiel ein großes optisches Element, das sich durch beide Beobachtungskanäle 100a, 100b erstreckt und daher gleichzeitig auf die Strahlengänge beider Beobachtungskanäle 100a, 100b einwirkt.
Ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 7 dargestellt. Das optische Beobachtungsgerät, ein Operationsmikroskop, ist mit einer Videovorrichtung 207 ausgestattet, deren Videokamera 209 eine in der Bildebene plazierte aktive Kamerafläche 211 aufweist. Außerdem umfasst das Operationsmikroskop ein Objektiv 203, welches ein von einem Objektpunkt ausgehendes divergentes Strahlenbündel in ein paralleles Strahlenbündel 214 umwandelt, d.h. den Objektpunkt ins Unendliche abbildet. Von einer weiteren Linse 206 wird das parallele Strahlenbündel 214 auf einen Punkt in der Bildebene fokussiert, d.h. der Objektpunkt wird vom Unendlichen auf die aktive Fläche 211 der Videokamera 209 abgebildet.
Als Vorrichtung zum lateralen Verschieben des Bildes in der Bildebene gegenüber der aktiven Kamerafläche 211 umfasst das Operationsmikroskop zwei Kippspiegel 230, 240. Jeder der beiden Kippspiegel 230, 240 ist mit einem Antrieb 232, 242 zum Verkippen des jeweiligen Kippspiegels 230, 240 um eine Kippachse versehen. Die Kippachsen, um welche die Kippspiegel 230, 240 verkippt werden können, verlaufen dabei vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, senkrecht zueinander. Wichtig ist nur, dass die beiden Kippachsen nicht parallel zueinander Verlaufen, wenn ein Verschieben des Bildes relativ zur aktiven Kamerafläche 211 in mehr als eine Richtung gewünscht ist.
In einer „neutralen" Stellung stehen die beiden Spiegelflächen parallel zueinander. In dieser „neutralen" Stellung wird das parallele Strahlenbündel 214 von den beiden Kippspiegeln 23, 240 so auf die Linse 206 reflektiert, dass seine Strahlen parallel zur optischen Achse der Linse 206 verlaufen.
Dieses Strahlenbündel ist in 7 mit der Bezugsziffer 214' gekennzeichnet. Ein solches Strahlenbündel wird von der Linse 206 auf die Mitte der aktiven Kamerafläche 211 fokussiert. Durch ein Verkippen des zweiten Kippspiegels 240 gegenüber dem ersten Kippspiegel 230 derart, dass ihre Spiegelflächen nicht mehr parallel zueinander stehen, lässt sich erreichen, dass das parallele Strahlenbündel nach der Reflexion am zweiten Kippspiegel 240 in einem Winkel zur optischen Achse der Linse 206 verläuft. Dieses Strahlenbündel ist in 7 mit der Bezugsziffer 214'' gekennzeichnet, die gekippte Stellung des zweiten Kippspiegels mit der Bezugsziffer 240'. Die Kippachse des zweiten Kippspiegels 240 verläuft dabei senkrecht zur Darstellungsebene von 7, d.h. es findet eine Auslenkung des parallelen Strahlenbündels innerhalb der Darstellungsebene statt. Eine dazu senkrechte Auslenkung kann dem Strahlenbündel 214 vom ersten Kippspiegel 230 vermittelt werden, dessen Kippachse in der Darstellungsebene von 7 verläuft. Durch ein Verkippen der Kippspiegel 230, 240 lässt sich so eine zweidimensionale Verschiebung des Bildes gegenüber der aktiven Kamerafläche 211 realisieren.
Zwar sind in dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel beide Spiegel kippbar, jedoch kann das Mikroskop auch mit einem um zwei Achsen kippbaren Kippspiegel ausgestattet sein. Ist beispielsweise der zweite Kippspiegel 240 um zwei Achsen kippbar ausgebildet, so kann der erste Spiegel 230 als fest angeordneter Spiegel ausgestaltet sein oder ggf. je nach Ausgestaltung des Strahlengangs im optischen Beobachtungsgerät auch weggelassen werden. Entsprechendes gilt für den zweiten Kippspiegel 240, wenn der erste Kippspiegel 230 um zwei Achsen kippbar ist.
Alternativ kann als Verschiebeeinrichtung statt Prismenkeilen oder Kippspiegeln auch ein um zwei Achsen drehbares Umlenkprisma oder eine sinngemäße optische Anordnung vorgesehen sein.
Es versteht sich, dass auch die mit Bezug auf die 3 bis 7 beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung mit einer Steuereinheit, wie sie für das in den 1 und 2 dargestellt Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, ausgestattet sein können. Ebenso können zusätzlich zu den Videokameras oder an deren Stelle Okulare Verwendung finden.
In allen dargestellten Ausführungsbeispielen kann die im Strahlengang vor der aktiven Kamerafläche angeordnete Linse 6, 106a, 106b, 206 statt Teil des optischen Beobachtungsgerätes auch Teil einer Kameraoptik sein.

Claims

Vorrichtung zur Auswahl eines Bildausschnittes bei einem optischen Beobachtungsgerät mit Betrachtungsvorrichtung (7; 107a, 107b; 207) zum Betrachten eines Bildes (5), welche eine zur Betrachtung wirksame aktive Fläche (11; 111a, 111b; 211) aufweist, gekennzeichnet durch eine Verschiebeeinrichtung (13a – 13d; 15; 115; 115a, 115b; 230, 240), welche derart in der Betrachtungsvorrichtung (7; 107a, 107b; 207) angeordnet oder im optischen Beobachtungsgerät anzuordnen und derart ausgestaltet ist, dass sich das Bild (5) und die aktive Fläche (11; 111a, 111b; 211) um einen Betrag gegeneinander verschieben lassen, der die Auflösung der Betrachtungsvorrichtung (7; 107a, 107b; 207) übersteigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betrachtungsvorrichtung eine Videovorrichtung (7; 107a, 107b; 207) mit einer Videokamera (9; 109a, 109b; 209) und die aktive Fläche eine aktive Kamerafläche (11; 111a, 111b; 211) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebeeinrichtung derart realisiert ist, dass das Bild ortsfest ist und zum Verschieben der aktiven Fläche (11) gegenüber dem Bild (5) mindestens einen in die Betrachtungsvorrichtung (7) des optischen Beobachtungsgerätes zu integrierenden Aktuator (13a – 13d) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Videovorrichtung (7) eine Kameraaufhängung umfasst, in die der mindestens eine Aktuator (13a – 13d) zu integrieren ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Aktuator (13a – 13d) ein piezoelektrischer, elektromotorischer oder hydraulischer Aktuator ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebeeinrichtung derart realisiert ist, dass sie ein im Strahlengang der Optik des optischen Beobachtungsgeräts zu plazierendes optisches Element (15; 115; 115a, 115b; 230, 240) umfasst, das zum Ablenken des Strahlenganges um einen definiert wählbaren Winkel ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (15; 115; 115a, 115b) zwei gegeneinander verdrehbare Prismenkeile (16, 17; 116a, 116b, 117a, 117b) umfasst, welche derart in den Strahlengang einzufügen sind, dass die Ablenkung durch ein gegeneinander Verdrehen der Prismenkeile (16, 17; 116a, 116b, 117a, 117b) herbeiführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element mindestens einen verkippbaren Spiegel (230, 240) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein Scannersystem oder ein um zwei Achsen drehbares Umlenkprisma umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zum Steuern der relativen Verschiebung von Bild (5) und aktiver Fläche (11; 111a; 111b; 211) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Kopf- oder der Augenbewegung eines das Bild (5) mittels der Betrachtungsvorrichtung (7) betrachtenden Benutzers und eine Übersetzungseinrichtung zum Übersetzen der Kopf- bzw. Augenbewegung in eine relative Verschiebung von aktiver Fläche (11; 111a, 111b; 211) und Bild (5) gegeneinander umfasst.
Optisches Beobachtungsgerät mit einer Betrachtungsvorrichtung (7; 107a, 107b; 207) zum Betrachten eines Bildes (5), welche eine zur Betrachtung wirksame aktive Fläche (11; 111a, 111b; 211) aufweist, einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche und einer Optik (2, 6; 102a, 102b, 106a, 106b; 202, 206) zum Erzeugen des Bildes (5), die derart ausgelegt ist, dass das Bild (5) größer als die aktive Fläche (11; 111a, 111b; 211) der Betrachtungsvorrichtung (7) ist.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es ein stereoskopisches Beobachtungsgerät mit mindestens zwei Beobachtungskanälen (100a, 100b) ist, in welchem jeder Beobachtungskanal (100a, 100b) eine eigene Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kopplungseinrichtung zum miteinander Koppeln der Verschiebeeinrichtungen (13a – 13d; 15; 115; 115a, 115b; 230, 240) vorhanden ist.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das es ein stereoskopisches Beobachtungsgerät mit mindestens zwei Beobachtungskanälen (100a, 100b) ist und die Verschiebeeinrichtung (115) derart ausgestaltet ist, dass sie gleichzeitig auf beide Beobachtungskanäle (100a, 100b) einwirkt.
Optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebeeinrichtung ein großes op tisches Element (115) umfasst, das sich durch beide Beobachtungskanäle (100a, 100b) erstreckt.
Optisches Beobachtungsgerät nach einem der Ansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet durch seine Ausgestaltung als Teleskop, als Mikroskop, insbesondere als Operationsmikroskop, oder als Endoskop.