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Die Erfindung betrifft ein optisches In-situ-Informationssystem. Insbesondere
betrifft die Erfindung ein System, das eine Vielzahl von Informationen
(synthetische Objekte) in situ mit dem Sichtfeld eines Betrachters darstellt, der durch ein
optisches System blickt, etwa durch ein Mikroskop oder eine andere Art von
Betrachtungsvorrichtung mit beliebiger Vergrößerung.
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Es gibt mehrere Arten herkömmlicher Systeme, die es einem Betrachter
ermöglichen, synthetisch erzeugte Bilder zu betrachten. Ein derartiges
herkömmliches System ist ein System zur Betrachtung einer virtuellen Wirklichkeit. In
derartigen Systemen werden Stereobilder einer Szene vollständig mit Hilfe von
Computern synthetisiert (erzeugt) und dann durch einen Betrachter mit einer
binokularen Betrachtungsvorrichtung betrachtet. In Systemen zur Betrachtung
einer virtuellen Wirklichkeit wird kein Versuch unternommen, die synthetische
Sicht auf eine Sicht realer, heller Objekte zu überlagern. Typischerweise werden
Systeme zur Betrachtung einer virtuellen Wirklichkeit in einer dunklen Umgebung
verwendet, so dass keine sehr hellen synthetischen Bilder benötigt werden.
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Eine andere Form eines herkömmlichen Systems ist eine Überkopf montierte
Anzeige, wie sie von Piloten usw. verwendet wird. In derartigen Systemen sind die
Objekte im Sichtfeld des Piloten so weit beabstandet, dass sie keinen
wahrnehmbaren Stereoeffekt erzeugen. Das Sichtfeld ist daher im wesentlichen eine
zweidimensionale Ebene ohne Tiefenwahrnehmung. Die über der Sicht des
Piloten angeordneten synthetischen Bilder brauchen daher keine Tiefenwirkung
aufzuweisen.
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Eine weitere Form eines herkömmlichen Systems ist eine in ein chirurgisches
Mikroskop eingebaute Anzeige. Derartige Systeme werden beispielsweise in US-
A-4,202,037 sowie in US-A-4,722,056 beschrieben. US-A-4,202, 037 beschreibt
ein System zum gleichzeitigen Betrachten (ohne ausgerichtete Überlagerung) von
computererzeugter Information in dem Sichtfeld eines chirurgischen Mikroskops.
Das binokulare Stereomikroskop nach US-A-4,202,037 dient zum Betrachten
eines realen Objekts auf einem Objektträger, der ein Präparat enthält, und zwar in
Kombination mit einem Bild eines synthetischen Objekts. US-A-4,722,056
beschreibt ein Verfahren zum Herstellen ausgerichteter Überlagerungen. Dieses
Verfahren ist auf Überlagerungen von zweidimensionalen Bildern beschränkt, die
nur in der Brennebene des Mikroskops richtig ausgerichtet sind. Im Grundsatz ist
das Verfahren nach US-A-4,722,056 mit den Überkopf angeordneten Anzeigen für
Piloten vergleichbar und erzeugt lediglich eine monoskopische Sicht.
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WO-A-88 04786 beschreibt ein Mikroskop mit optimiertem Bild. Das in WO-A-88
04786 beschriebene, binokulare Stereomikroskop wird zur Darstellung sowohl
eines realen als auch eines synthetischen Objekts verwendet, und zwar basierend
auf einem tatsächlichen Winkel des realen Objekts in Bezug zum Betrachter, der
durch das Mikroskop schaut. Das Mikroskop umfasst eine
Beleuchtungseinrichtung, ein Objektiv, ein Vergrößerungsstellglied, Vorrichtungen zur
Bildverarbeitung in Echtzeit, Anzeigen, Mischer und Okulare.
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US-A-5,307,202 beschreibt eine herkömmliche stereoskopische Vorrichtung in
Form eines Stereomikroskops, die die Unterschiede zwischen im wesentlichen
identischen Fotografien ermittelt. Das Mikroskop verwendet ein erstes und zweites
Objektiv, das von den Objekten reflektiertes Licht aufnimmt.
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US-A-4,994,794 beschreibt eine andere herkömmliche Vorrichtung zum Darstellen
von Daten mit Hilfe eines binokularen, Überkopf angeordneten Anzeigesystems.
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WO-A-88 04786 beschreibt eine weitere herkömmliche stereoskopische
Vorrichtung, die ein Bild eines Objekts bereitstellt, das durch eine Materialschicht
verdeckt ist, die gegenüber sichtbarem Licht undurchlässig ist, die aber gegenüber
nicht sichtbarer, Durchgangsstrahlung im wesentlichen durchlässig ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ausreichende
Lichtstärke bereitzustellen, um ein synthetisches Bild gegenüber einem hellen,
realen Bild betrachten zu können.
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Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
stereoskopische Ansicht eines aus einem synthetischen und einem realen Bild
kombinierten Bildes zu erzeugen.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein stereoskopisches,
kombiniertes Bild eines dreidimensionalen synthetischen Bildes mit einem
dreidimensionalen realen Bild zu erzeugen.
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Die vorliegende, nach Anspruch 1 dargelegte Erfindung betrifft eine Vorrichtung,
mit der sich computererzeugte Bilder synthetischer, dreidimensionaler Objekte
einwandfrei übereinander legen und über den Bildern realer, dreidimensionaler
Objekte im Sichtfeld eines Betrachters ausrichten lassen. Die hier beschriebenen
Ausführungsbeispiele umfassen zudem viele neue Merkmale und Techniken, die
gegenüber den herkömmlichen Systemen für ausgerichtete und nicht
ausgerichtete Überlagerungen zweidimensionaler sowie dreidimensionaler Objekte eine
Verbesserung in Bezug auf Helligkeit, Kontrast, Auflösung, Einstellbarkeit und
Betrieb darstellen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein Mittel zum Erzeugen von zwei
synthetischen Stereobildern eines dreidimensionalen, synthetischen Objekts,
welche dem synthetisch erzeugtem, dreidimensionalen Bild entsprechen. Die
Vorrichtung umfasst zudem ein Mittel zum Kombinieren der beiden synthetischen
Stereobilder mit zwei realen Stereobildern, welche den jeweiligen Bildern des
realen Objekts entsprechen, wobei die beiden realen Stereobilder jeweils von zwei
Okularen eines Mikroskops erzeugt werden. Diese Vorrichtung bewirkt eine
Überlagerung des synthetisch erzeugen Bildes über den Bildern der realen
Objekte in einem dreidimensionalen Raum und nicht nur in einer einzigen
Brennebene.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen
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Fig. 1 ein herkömmliches Betrachtungssystem unter Verwendung eines
Mikroskops;
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Fig. 2 ein herkömmliches Stereobetrachtungssystem unter Verwendung eines
Mikroskops zum Erzeugen eines Stereobildes;
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Fig. 3 eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Überlagerung von Bildern in einer
einzigen Brennebene gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 4 eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Stereobildes gemäß einem zweiten
oder dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 5A und 5B eine Differenz in der Abbildung von LCD-Pixeln für ein
synthetisches Bild zwischen dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel
in Bezug auf eine Bezugsebene und eine andere Ebene.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches In-situ-Informationssystem, das
eine Vielzahl von Informationen (synthetische Objekte) in situ mit dem Sichtfeld
eines Betrachters darstellt, der durch ein optisches System blickt, etwa durch ein
Mikroskop oder eine andere Art von Betrachtungsvorrichtung mit beliebiger
Vergrößerung. Der hier verwendete Begriff "Mikroskop" ist so zu verstehen, dass
er Mikroskope, Binokulare sowie optische Vorrichtungen umfasst, die an Brillen
befestigt sind. Der hier verwendete Begriff "synthetische Objekte" ist so zu
verstehen, dass die durch die vorliegende Erfindung dargestellte Information mit
Hilfe von Computern und Elektronik synthetisiert wird, und dass sie
zweidimensionale sowie dreidimensionale Objekte darstellen kann.
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In einem gängigen Betrieb des Mikroskops tritt Licht von einem Objekt (d. h. einer
Informationsquelle) im Objektraum des Mikroskops in das Mikroskopobjektiv ein
und tritt durch die Okulare des Mikroskops zur Betrachtung des Objektsbildes aus.
In einer Weiterführung dieses Konzepts wird Licht von einer Lichtquelle 105 auf
ein Objekt 100 gerichtet. Ein Teil des auf das Objekt 100 gerichteten Lichts wird
vom Objekt 100 reflektiert und tritt in ein Mikroskop 110 ein.
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Das in das Mikroskop 110 eintretende Licht wird von einem Strahlenteiler 120
geteilt, nachdem es durch die Okulare 130 hindurchgetreten ist. Ein Teil der
Ausgabe des Strahlenteilers 120 wird auf eine Abbildungsvorrichtung 140
gerichtet, etwa eine elektronische Kamera, wie in Fig. 1 gezeigt. Der andere Teil
des vom Strahlenteiler 120 ausgegebenen Lichts wird auf das Auge 160 eines
Betrachters gerichtet. Die Abbildungsvorrichtung 140 ist entweder verwendbar, um
das Bild an einem Fernsehschirm zu betrachten, oder zur elektronischen Analyse
des Bildes.
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Für die stereoskopische Betrachtung des Objekts wird das Objekt aus zwei
verschiedenen Winkeln abgebildet und durch zwei Okulare betrachtet, um ein
Stereobild des Objekts zu erzeugen. Fig. 2 zeigt eine herkömmliche Verwendung
eines ersten Mikroskops 210 und eines zweiten Mikroskops 220, welche
gemeinsam Stereosignale in einen Fernsehbildschirm 230 einspeisen, um ein
Stereobild des Objekts zu erzeugen.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung entspricht einem
System zum gleichzeitigen Betrachten eines realen Objekts und eines
synthetischen Objekts. In dem ersten Ausführungsbeispiel wird Licht von zwei getrennten
Quellen mit Hilfe eines optischen Mischers 310 zusammengeführt, wie in Fig. 3
gezeigt. Die erste Lichtquelle ist ein synthetisches Bild, das von einem Computer
340 erzeugt wird, welcher an eine Flüssigkristallanzeige 350 (Liquid Crystal
Display/LCD) ein Videosignal ausgibt, wobei die Flüssigkristallanzeige 350 von
einer Lichtquelle 360 beleuchtet wird. Die Ausgabe der Flüssigkristallanzeige 350
wird mit Licht kombiniert, das von dem Objekt 100 über die Objektivlinsen 320
empfangen wird. Die kombinierte Lichtausgabe vom optischen Mischer 310 tritt
durch ein Okular 330, welches das Licht derart fokussiert, dass beide Objekte
gleichzeitig im Sichtfeld eines Betrachters 160 betrachtbar sind. In Fig. 3 werden
das Okular 330 und das Objektiv 320 beide derart dargestellt, dass sie zwei
getrennte Linsen umfassen, die zueinander beabstandet sind. Einem
einschlägigen Fachmann wird aber selbstverständlich klar sein, dass viele verschiedene
Arten von Okularen und Objektiven innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung
verwendbar sind.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht eines der betrachteten Bilder einem
Bild eines realen Objekts, während das andere betrachtete Bild einem synthetisch
erzeugten Bild oder einem Text entspricht, das, bzw. der durch Elektronik
eingespeist wurde, beispielsweise unter Verwendung einer Flüssigkristallanzeige.
In dem ersten, zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird dadurch eine
gleichzeitige Betrachtung eines realen Objekts und eines synthetischen Objekts
erreicht. Durch Verwendung der Flüssigkristallanzeige 350 in Verbindung mit einer
entsprechenden Lichtmenge, mittels der die Flüssigkristallanzeige von einer
Lichtquelle 360 beaufschlagt wird, ist man in der Lage, ein synthetisches Bild
deutlich zu sehen, das von einem hellen, realen Bild des Objekts 100 überlagert
ist.
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Um eine stereoskopische Betrachtung zu erreichen, verwendet ein zweites
Ausführungsbeispiel der Erfindung zwei separate Systeme, eines für das linke und
eines für das rechte Auge, wobei die beiden Bilder derart parafokussiert sind,
dass es aus Sicht eines Betrachters zu einer Bildüberlagerung in einer einzigen
Brennebene kommt. Fig. 4 zeigt ein System entsprechend einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung, in der eine Stereobetrachtung erzielt wird.
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Das zweite Ausführungsbeispiel umfasst einen ersten Computer 410A, der in
Ansprechen auf ein "synthetisches Bild für das linke Auge" elektrische Signale
ausgibt (z. B. Videosignale) an die Flüssigkristallanzeige- und Optikeinheit 420A
ausgibt. Die Flüssigkristallanzeige- und Optikeinheit 420A umfasst eine
Matrixanordnung von LCD-Pixeln sowie Optiken zur Ausgabe des Lichtes von der
Pixelanordnung in einer bestimmten Vergrößerung und Helligkeit. Die
Flüssigkristallanzeige- und Optikeinheit 420A empfängt Licht von der Lichtquelle 430A
über einen Lichtleiter (oder Kabel) oder ähnliches und gibt ein beleuchtetes,
synthetisches Bild an den Strahlenmischer 440A aus.
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Die Beleuchtungseinrichtungen 450A und 450B erzeugen Licht in Richtung eines
realen Objekts 490. Die Beleuchtungseinrichtungen lassen sich als Lampen
konfigurieren, die Licht über ein breites optisches Spektrum ausgeben. Ein Teil
des auf das reale Objekt 490 fallenden Lichts wird in einer Richtung zu den
Objektiven 460A und 460B reflektiert. Das Objektiv 460A ist eine Objektivlinse, die
zum linken Auge eines Betrachters gerichtetes Licht einer Fokussierung
unterzieht. Das Objektiv 460B ist eine Objektivlinse, die zum rechten Auge eines
Betrachters gerichtetes Licht einer Fokussierung unterzieht.
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Vom Objektiv 460A ausgegebenes Licht wird zum Strahlenmischer 440A
gerichtet, wo das "reale Bild" von dem realen Objekt mit dem "synthetischen Bild"
kombiniert wird, das von der Flüssigkristallanzeige- und Optikeinheit 420A
stammt. Das kombinierte "synthetische und reale" Licht tritt durch die Okularlinsen
470A und wird auf einem linken Auge 495A des Betrachters fokussiert.
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In gleicher Weise empfängt auch Objektiv 460B reflektiertes Licht, welches auf
einen Strahlenmischer 440B fällt. Der zweite Computer 410B erzeugt ein
Videosignal für ein "synthetisches Bild für das rechte Auge", welches zur
Flüssigkristallanzeige- und Optikeinheit 420B übertragen wird. Die
Flüssigkristallanzeige- und Optikeinheit 420B empfängt zudem Licht von der Lichtquelle 430B
über einen Lichtleiter oder ähnliches. Das beleuchtete Synthetikbild von der
Flüssigkristallanzeige und Optikeinheit 420B wird an den Strahlenmischer 440B
übertragen, wo es mit dem realen Bild kombiniert wird, das dem von dem realen
Objekt empfangenen Licht entspricht. In dem zweiten Ausführungsbeispiel
entsprechen die Flüssigkristallanzeigen der Flüssigkristallanzeige- und
Optikeinheit 420A und 420B einer als zweidimensionales Gitter angeordneten
Pixelmatrix. Das kombinierte Licht von dem Strahlenmischer 440B tritt durch die
Okularlinsen 470B und wird auf einem rechten Auge 495B des Betrachters
fokussiert.
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Mit der Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann der Betrachter
eine Stereodarstellung eines realen Bildes sehen, das mit einem synthetischen
Bild überlagert ist. Eine derartige Konfiguration ist in zahlreichen medizinischen
Verfahren verwertbar. Beispielsweise kann ein CT-Scan oder ein daraus
ausgewählter Teilbereich als synthetisches Bild einem realen Bild überlagert
werden, das einem tatsächlichen Patienten entspricht, der in einem Sichtbereich
des Systems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel angeordnet ist.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Kalibrierung derart durchgeführt,
dass das synthetische Bild auf einem oder mehreren Pixeln der LCD-Anordnung
in den Flüssigkristallanzeige- und Optikeinheiten abgebildet werden kann. Diese
Kalibrierung ist auf unterschiedliche Weise durchführbar, etwa durch Erzeugen
eines Testbildes in einem bestimmten Abstand und Winkel in Bezug zum
Betrachtungssystem, worauf ermittelt wird, wo das Testbild auf einer X-Y-
Anordnung von Flüssigkristallanzeigen erscheint. Auf der Grundlage dieser
Information, die in Bezug zu dem Betrachtungssystem in verschiedenen Winkeln
erhoben wird, kann ein synthetisches Bild einwandfrei auf einem realen Bild
überlagert werden, weil die tatsächliche Position des realen Objekts in Bezug zu
dem Betrachtungssystem bekannt ist, und weil bekannt ist, welcher Pixel (oder
welche Pixel) der Flüssigkristallanordnung von dem Objekt in dieser Position
beleuchtet würden.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht eine Bezugsebene der Ebene der
Flüssigkristallanordnung von Pixeln, und das synthetische Bild wird ausschließlich
anhand der Tatsache ermittelt, wo es auf der Bezugsebene erscheinen würde,
ohne eine andere Ebene zu berücksichtigen. Das kombinierte Bild des realen
Bildes und des synthetischen Bildes ist somit nur auf der Bezugsebene für ein
reales Objekt gültig und erzeugt möglicherweise keine akzeptable Überlagerung
des synthetischen Bildes auf dem realen Bild, wenn sich das reale Objekt nicht
auf der Bezugsebene befindet. Das zweite Ausführungsbeispiel erfordert
allerdings keine komplexen Berechnungen, und kann für einige Situationen
akzeptabel sein, in denen eine genaue Überlagerung nicht erforderlich ist. Wenn
jedoch eine genaue Überlagerung erforderlich ist, beispielsweise für einen
komplexen chirurgischen Eingriff, ist ein anderes Schema wünschenswert.
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In dieser Hinsicht erzeugt ein drittes Ausführungsbeispiel eine dreidimensionale
Überlagerung eines synthetisch erzeugten Bildes über einem dreidimensionalen
Bild des realen Objekts. Das dritte Ausführungsbeispiel hat eine Struktur, die dem
zweiten Ausführungsbeispiel aus Fig. 4 ähnlich ist. Allerdings stellt der Computer
in dem dritten Ausführungsbeispiel die Mittel zum Erzeugen eines
dreidimensionalen synthetischen Bildes bereit, das sich über das dreidimensionale reale Bild
überlagern lässt, und welches realistisch erscheint, wenn das reale Objekt von
einem beliebigen Winkel und/oder aus einer beliebigen Distanz betrachtet wird.
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Zuerst werden zwei synthetische Stereobilder (linkes und rechtes Auge) des
synthetischen Objekts von den Computern 410A und 410B berechnet und dann
auf den Flüssigkristallanzeigen 420A und 420B dargestellt, und zwar unter
Berücksichtigung der Parameter des optischen Betrachtungssystems. Diese
Parameter lassen sich aus einer vorkalibrierten Entsprechung zwischen Punkten
im dreidimensionalen Objektraum und Punkten in einer Ebene der
Flüssigkristallanzeigen berechnen. Dieses Verfahren wird in Fig. 5A und 5B dargestellt, welche
eine Entsprechung zwischen dem realen Objektraum und dem
Flüssigkristallanzeigeraum zeigen. Wenn sich das reale Objekt aus einer Bezugsebene 510 zu
einer anderen Ebene 520 verschiebt, siehe Fig. 5B (d. h. einen anderen Abstand
zum Mikroskop annimmt), wird ein Punkt A' auf der anderen Ebene 520 auf eine
andere Pixelposition B auf der Referenzebene 510 abgebildet.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass das synthetische
Objekt ein zweidimensionales Objekt in der Brennebene des Mikroskops ist. In
dem Kalibrierungsprozess des zweiten Ausführungsbeispiels wird daher eine
Entsprechung zwischen den Punkten in der Brennebene des Mikroskops und den
Punkten in der Flüssigkristallanzeigenebene ermittelt. Wenn das gegebene
synthetische Objekt ein dreidimensionales Objekt ist, wird entweder ein Schnitt
dieses dreidimensionalen Objekts oder eine kollabierte (zusammenfallende)
Projektion dieses dreidimensionalen Objekts in den Flüssigkristallanzeigen
angezeigt, um eine Überlagerung in der Brennebene des Mikroskops zu
erzeugen.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel würde der Punkt A' auf der anderen Ebene
520 mit dem Punkt A auf der Bezugsebene 510 zusammenfallen, da das
synthetische Bild das reale Bild nur auf zweidimensionale Weise überlagert. Fig.
5A zeigt die Lage eines Pixel A und eines benachbarten Pixel B auf einer
Flüssigkristallanzeigeebene, wobei die Flüssigkristallanzeigeebene eine Vielzahl
von (nicht gezeigten) Flüssigkristallanzeigen umfasst, die in einer Matrix
angeordnet sind. Der Schnittpunkt der Strich- und Punktlinien in Fig. 5B entspricht
einer Lage des Betrachtungssystems in Bezug zur Bezugsebene 510 und der
anderen Ebene 520.
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Wenn sich das reale Objekt auf der Bezugsebene befindet, dann entspricht das
von dem System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel beleuchtete Pixel dem
Pixel, der durch das System gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel beleuchtet
wird. Wenn allerdings das Objekt um einen bestimmten Abstand zur
Bezugsebene versetzt wird (d. h. entweder näher oder weiter zum Mikroskop entfernt),
dann wäre das von der zweiten Ausführungsbeispiel beleuchtete Pixel ein anderer
als der von dem dritten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 5B gezeigt. Die
Flüssigkristallanzeigenanordnung ist derart konfiguriert, dass das synthetische
Bild in einem bestimmten Abstand in Bezug zum Mikroskop erscheint, wobei
dieser bestimmte Abstand der Bezugsebene entspricht.
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In dem dritten Ausführungsbeispiel werden die Mittel zum Bestimmen der
Zuordnung eines dreidimensionalen realen Raums zu einer zweidimensionalen
Anordnung von Pixeln einer Flüssigkristallanzeige vorzugsweise vorher durch
Kalibrierung vorgenommen, und zwar auf der Grundlage realer Bilder, die von
einem realen Testobjekt empfangen wurden, und unter Berücksichtigung des
Abstandes und Winkels des Betrachtungssystems in Bezug zum realen
Testobjekt. Zur gleichen Zeit ermitteln die Computer 410A und 410B für das X-Y-
Gitter von Flüssigkristallanzeige-Pixeln auf den Flüssigkristallanzeigen 420A und
420B, wo das reale Objekt erscheinen würde (d. h. welches Pixel in der
Flüssigkristallanzeige-Anordnung beleuchtet werden muss), um ein entsprechendes
dreidimensionales synthetisches Bild zu erzeugen, mit dem das dreidimensionale
reale Bild des Objekts 490 überlagert werden kann.
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Das dem dritten Ausführungsbeispiel entsprechende System berücksichtigt die
Tiefe und den Winkel des Betrachtungssystems, wobei das dem zweiten
Ausführungsbeispiel entsprechende System das synthetische Bild auf einer
einzigen Ebene (Bezugsebene) zusammenführt. In dem dritten
Ausführungsbeispiel entspricht also der X-,Y-,Z-Objektraum einer bestimmten Pixel-Adresse
(XL-, YL-Koordinate) auf der linken LCD-Anordnung und einer bestimmten Pixel-
Adresse (XR-, YR-Koordinate) auf der rechten LCD-Anordnung. Das dritte
Ausführungsbeispiel sieht eine dreidimensionale Abbildung auf den nutzbaren
Raum vor, während das zweite Ausführungsbeispiel eine zweidimensionale
Abbildung des synthetischen Bildes auf den nutzbaren Raum vorsieht. In dem
dritten Ausführungsbeispiel ist die Position der Flüssigkristallanzeige in Bezug zur
Optik in den Flüssigkristallanzeige- und Optikeinheiten 420A und 420B derart
einstellbar, dass Licht von der Flüssigkristallanzeige (welches verwendet wird, um
das synthetische Bild zu erzeugen) derart erscheint, dass es von einer geeigneten
Ebene in dem realen Objekt kommt (etwa in der Mitte des realen Objekts oder auf
einer anderen Ebene, welche in dem dritten Ausführungsbeispiel durch den
Benutzer einstellbar ist). Das System sieht somit eine komfortablere Betrachtung
der Überlagerung des synthetischen Bildes mit dem realen Bild vor.
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In dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel sind die Okulare auch derart
einstellbar, dass Licht derart erscheint, als wäre es um einen bestimmten Abstand
entfernt und nicht notwendigerweise um einen "unendlichen" Abstand. Es lässt
sich somit eine realistische dreidimensionale Betrachtung eines Objekts
zusammen mit einem dreidimensionalen synthetischen Bild erzielen, wobei der
Betrachter den Abstand und den Winkel förmlich "spürt", in dem er sich in Bezug
zu dem Objekt befindet.
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In dem dritten Ausführungsbeispiel wird das synthetische Bild, so wie es von dem
menschlichen Auge wahrgenommen wird, dem Bild des realen Objekts im
nutzbaren dreidimensionalen Raum überlagert, also nicht nur in einer einzigen
Brennebene, wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Zum Erzeugen synthetischer Stereobildpaare lassen sich Flüssigkristallanzeigen
oder andere vergleichbare Mittel verwenden. Hierbei ist zu beachten, dass
Röhrenbildschirme normalerweise nicht die Lichtmenge und Auflösung erreichen,
die erforderlich ist, um ein reales, helles Bild mit einem synthetischen Büd zu
überlagern. Daher werden Flüssigkristallanzeigen in jedem der hier beschriebenen
Ausführungsbeispiele bevorzugt. In jedem der Ausführungsbeispiele werden
Lichtleiter verwendet, um eine Lichtführung zwischen der Lichtquelle und den
Flüssigkristallanzeigen herzustellen, wodurch es möglich ist, eine starke
Lichtquelle abgesetzt anzuordnen. Die vorliegende Erfindung kann zudem
Abbildungsmittel zum Abbilden der entfernten Spitze des Lichtleiters an der
Eintrittspupille des Okularsystems umfassen, um eine ausreichende Koppelung
zwischen Licht und Auge zu ermöglichen. Die vorliegende Erfindung kann
Einstellmittel zum Einstellen der Flüssigkristallanzeigen-Beleuchtungsstärke
umfassen, derart, dass die Helligkeit zwischen linker und rechter
Flüssigkristallanzeigen ausgeglichen ist. Die Lichteinstellmittel können in den Lichtquellen
implementiert sein, die den Flüssigkristallanzeigen Licht zuführen. Für die
einwandfreie Lichteinstellung kann ein allgemeiner Helligkeitswert auf das
beleuchtete Sichtfeld des Mikroskops abgestimmt werden.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel sind das linke und rechte synthetische Bild
auf eine gemeinsame Bezugsebene parafokussiert, während in dem dritten
Ausführungsbeispiel das linke und rechte synthetische Bild auf eine optimale
Bezugsebene in dem realen Objektraum parafokussiert sind. Die Vergrößerung
des linken und rechten synthetischen Bildes lässt sich über Abstimmmittel für das
linke und rechte Bild aufeinander abstimmen. Die Vergrößerung der LCD-Anzeige
ist ebenfalls über die Optik abstimmbar, die in den Flüssigkristallanzeige- und
Optikeinheiten vorgesehen sind, um das von den Anzeigebildern abzudeckende
Okularsichtfeld abzustimmen.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Berechnung von Stereoansichten
anhand eines Datenbestands mit folgenden Angaben: i) dem synthetischen,
dreidimensionalen Objekt und ii) der vorkalibrierten Entsprechung zwischen dem
dreidimensionalen Raum und den Punkten in der Ebene der
Flüssigkristallanzeigen. Der Datenbestand ist vorzugsweise in einem Speicher gespeichert, der
über einen Computer zugänglich ist. Der Computer ist vorzugsweise mit einer
eingebetteten Software zur Durchführung der zuvor genannten Berechnung der
Stereoansichten ausgestattet. Um zu bestimmen, welcher Pixel in einer X-Y-
Anordnung von Pixeln in Hinsicht auf einen bestimmten Winkel und Abstand des
Betrachtungssystems in Bezug zum realen Objekt zu beleuchten ist, ist eine
Transformationsmatrix verwendbar.
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Die Erfindung ermöglicht das Einstellen des Kontrasts der von den
Flüssigkristallanzeigen erzeugten Bilder (d. h. bedarfsweise entweder eine hellere oder dunklere
Einstellung), basierend auf der Helligkeit des realen Bildes von dem realen Objekt.
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Die Erfindung ist zudem mit X-, Y- und Theta-Einstellmitteln konfigurierbar, um X-,
Y- und Theta-Einstellungen durchzuführen, derart, dass die Überlagerung der
Ansichten für das linke und rechte Auge von den synthetischen Bildern innerhalb
des Sichtfeldes des Okulars einstellbar ist (d. h. Vergrößern oder Verkleinern des
synthetischen Bildes, das das reale Bild überlagert).
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Die Erfindung kann zudem Mittel zum Messen der Systemparameter umfassen,
die erforderlich sind, um das linke und rechte Bild zu überlagern.
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Die Parameter des Variolinsen umfassenden optischen Systems sind zudem
dynamisch messbar, um die Überlagerung der synthetischen Bilder in dem
Sichtfeld dynamisch zu erhalten.
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Die vorliegende Erfindung kann zudem dynamische Messmittel zum dynamischen
Messen der Parameter des optischen Systems umfassen, um die Überlagerung
der synthetischen Bilder in dem Sichtfeld dynamisch zu erhalten.
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Obwohl die Erfindung mit besonderem Bezug auf bevorzugte
Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern
es können innerhalb des Schutzbereichs der nachstehenden Ansprüche
Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden. Beispielsweise hat die
vorliegende Erfindung zahlreiche Anwendungen, u. a. die bildgeführte Chirurgie,
die bildgeführte Therapie, die bildgeführte Diagnostik, die Telechirurgie, die
robotische Chirurgie und ein Inspektionssystem zum Vergleichen realer Objekte
mit ihren dreidimensionalen Bezugsprofilen.