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Die Erfindung geht aus von einem 3D-Video-Endoskop mit einem Schaft, einem ersten Bildsensor, einem zweiten Bildsensor, einem ersten optischen Kanal und einem zweiten optischen Kanal. Dabei umfassen der erste und zweite optische Kanal jeweils ein Objektiv am distalen Ende des Schaftes und ein Bildleitungssystem, welches das von dem Objektiv erhaltene Bild an den zugehörigen Bildsensor weitergibt.
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Video-Endoskope werden sowohl im technischen als auch im medizinischen Bereich eingesetzt. Sie dienen der Untersuchung von Strukturen an der Oberfläche oder in schwer zugänglichen Hohlräumen, Kanälen oder Vertiefungen. Diese Strukturen sind häufig mit bloßem Auge nicht aufzulösen. Im medizinischen Bereich werden Video-Endoskope in der minimalinvasiven Chirurgie zu Untersuchungszwecken oder in Kombination mit chirurgischen Instrumenten für Operationen unter Sichtkontrolle eingesetzt. Ein Beleuchtungssystem kann dazu dienen, die zu untersuchende Struktur zu beleuchten. Das durch eine externe Lichtquelle erzeugte Licht wird üblicherweise über Lichtleitfasern an die zu untersuchende Struktur herangeführt. Ein Bildgebungssystem dient dazu, die Information, welche in dem von der Struktur reflektierten Licht enthalten ist, als Bild aufzunehmen. Als Kamera oder Bildsensor dient häufig Bildwandlerchip, beispielsweise CMOS oder CCD. Der Bildsensor, auch Bildgeber genannt, wandelt die optischen Signale in elektrische Signale um, welche anschließend auf einem Bildschirm oder einem Monitor optisch sichtbar gemacht werden.
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Um dem Benutzer einen möglichst anschaulichen Eindruck von dem Einsatzort des distalen Endes des Endoskops zu vermitteln, sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Die von dem 3D-Video-Endoskop erzeugten Bilder werden für einen Benutzer auf einem Sichtgerät, beispielsweise auf einem Monitor oder Bildschirm angezeigt. Die Bilder werden auf dem Sichtgerät so dargestellt, dass der Betrachter einen dreidimensionalen Eindruck vom Einsatzort erhält. Ein Bildschirm zeigt hierzu für das rechte und linke Auge des Betrachters getrennte Bilder an. Der Betrachter benötigt in der Regel eine spezielle Brille, so dass die für das linke Auge des Betrachters bestimmten Bilder nur vom linken Auge wahrgenommen werden, und die für das rechte Auge des Betrachters bestimmten Bilder nur von dem rechten Auge wahrgenommen werden. Hierzu zählen beispielsweise Polfilterbrillen, Farbfilterbrillen, Interferenzfilterbrillen und LCD-Shutterbrillen. Darüber hinaus sind spezielle Sichtgeräte bekannt, die der Betrachter in unmittelbarer Nähe zu seinen Augen an seinem Kopf anordnet. Derartige Sichtgeräte sind beispielsweise in ein 3D-Headset integriert. Sie werden auch als 3D-Video-Brillen bezeichnet und sind mit zwei Displays ausgestattet.
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Bei bekannten Endoskopen zur Erzeugung von dreidimensionalen Darstellungen sind der oder die Bildgeber am proximalen oder am distalen Ende angeordnet. Das Endoskop umfasst in der Regel einen flexiblen oder starren Schaft, der als länglicher Hohlkörper ausgebildet ist. Das von einer zu untersuchenden Struktur reflektierte Licht wird am distalen Ende über ein erstes Objektiv und ein zweites Objektiv eingekoppelt und über zwei räumlich getrennte optische Systeme mit optischen Komponenten wie Linsen und Prismen oder durch eine Faseroptik dem oder den Bildgebern zugeführt. Die Bildgeber werden als Bildsensoren bezeichnet. Ein erster optischer Kanal umfasst das erste Objektiv am distalen Ende des Schaftes und ein erstes optisches Bildleitungssystem. Das erste optische Bildleitungssystem gibt das von dem ersten Objektiv erhaltene Bild an den ersten Bildsensor weiter. Ein zweiter optischer Kanal umfasst das zweite Objektiv am distalen Ende des Schaftes und ein zweites optisches Bildleitungssystem. Das zweite optische Bildleitungssystem gibt das von dem zweiten Objektiv erhaltene Bild an den zweiten Bildsensor weiter. Dabei sind das erste und das zweite Objektiv gleich groß und nebeneinander an dem distalen Ende des Schaftes angeordnet. In der Regel sind der erste und zweite optische Kanal identisch. Die von den Bildsensoren dabei aufgenommenen Bilder werden durch eine Bildbearbeitungseinrichtung zu einem dreidimensionalen Bild zusammengefügt und auf einem Sichtgerät für den Benutzer sichtbar dargestellt.
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Soll das 3D-Endoskop der Untersuchung von Strukturen in kleinen Hohlräumen dienen, muss der Durchmesser des Schaftes möglichst klein sein, insbesondere kleiner als der Hohlraum, in den das Endoskop eingeführt werden soll. Bei einem kleinen Durchmesser des Schaftes ist der Abstand zwischen dem ersten Objektiv und dem zweiten Objektiv gering. Dabei ist dafür Sorge zu tragen, dass trotz des kleinen Abstandes der Objektive der Überlappungsbereich der Sehfelder der beiden Objektive möglichst groß ist, da nur im Überlappungsbereich eine dreidimensionale Darstellung der Strukturen möglich ist. Darüber hinaus hat ein kleiner Durchmesser des Schaftes zur Folge, dass der Durchmesser des ersten und zweiten Objektivs klein sein muss, insbesondere kleiner als der Radius des Schaftes. Die freie Öffnung oder Öffnungsweite des ersten und zweiten Kanals wird auch als Apertur bezeichnet. Die Apertur des ersten und zweiten Kanals hat Einfluss auf die Helligkeit und auf die Schärfentiefe. Ist die Apertur klein, so ist die Helligkeit gering aber die Schärfentiefe groß. Wird die Apertur vergrößert, so ist die Helligkeit größer, dafür nimmt die Schärfentiefe ab. Soll daher bei einem vorgegebenen Durchmesser des Schaftes eines bekannten 3D-Video-Endoskops die Schärfentiefe verbessert werden, wird dies in der Regel dadurch erreicht, dass die Apertur des ersten optischen Kanals und des zweiten optischen Kanals verkleinert wird, beispielsweise indem in den ersten Kanal und in den zweiten Kanal jeweils eine Blende eingesetzt wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Helligkeit insgesamt reduziert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein 3D-Video-Endoskop zur Verfügung zu stellen, das einen Schaft mit kleinem Durchmesser zur Untersuchung kleiner Hohlräume aufweist, und mit dem Bilder erzeugt werden, die gegenüber bekannten 3D-Video-Endoskopen eine größere Schärfentiefe aufweisen, ohne dass dies zu einer Reduzierung der Helligkeit führt.
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Diese Aufgabe wird durch ein 3D-Video-Endoskop mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es zeichnet sich dadurch aus, die beiden optischen Kanäle eine unterschiedliche Apertur aufweisen. Der erste optische Kanal weist eine kleinere Apertur auf als der zweite optische Kanal. Dies bedeutet, dass die für einfallendes Licht freie Öffnung des ersten Kanals kleiner ist als die freie Öffnung des zweiten optischen Kanals. Anstelle von freier Öffnung kann auch der Begriff Öffnungsweite verwendet werden. Die Bilder, die der erste Bildsensor erzeugt, werden als erste Bilder bezeichnet. Die Bilder, die der zweite Bildsensor erzeugt, werden als zweite Bilder bezeichnet. Damit ist die Schärfentiefe der mit dem ersten Bildsensor erzeugten ersten Bilder größer als die Schärfentiefe der mit dem zweiten Bildsensor erzeugten zweiten Bilder. Dies bedeutet, dass der Bereich, der mit dem ersten optischen Kanal auf dem ersten Bildsensor scharf abgebildet wird, größer ist, als der Bereich, der mit dem zweiten optischen Kanal auf dem zweiten Bildsensor scharf abgebildet wird. Im Gegenzug ist die Helligkeit der zweiten Bilder größer als die Helligkeit der ersten Bilder. Eine Bildbearbeitungseinrichtung setzt aus den ersten Bildern und aus den zweiten Bildern dreidimensionale Bilder zusammen. Diese dreidimensionalen Bilder werden derart bearbeitet, dass sie im wesentlichen die Helligkeit der zweiten Bilder und die Schärfentiefe der ersten Bilder aufweisen. Gegenüber dreidimensionalen Bildern bekannter 3D-Video-Endoskope haben die dreidimensionalen Bilder des erfindungsgemäßen 3D-Video-Endoskops den Vorteil, dass sie eine bessere Schärfentiefe und eine vergleichbare Helligkeit aufweisen.
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Der erste Bildsensor und der zweite Bildsensor können zwei getrennte Bildgeber sein. Alternativ dazu können der erste Bildsensor und der zweite Bildsensor Teil eines einzigen Bildgebers sein. Beispielsweise kann der Bildgeber ein Bildwandlerchip sein. Dabei wird ein erster Teil der Bildpunkte des Bildwandlerchips dem ersten Bildsensor zugeordnet und ein zweiter Teil der Bildpunkte dem zweiten Bildsensor.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Kanal mit einer ersten Blende ausgestattet, welche die Apertur des ersten Kanals im Vergleich zu der Apertur des zweiten Kanals verkleinert. Die Blende kann an einer beliebigen Position innerhalb des ersten Kanals angeordnet sein. Due Blendenöffnung kann beispielsweise rund sein. Stattdessen kann die Blendenöffnung eckig sein. Darüber hinaus sind auch sternförmige Blendenöffnungen möglich. Auch sichelförmige Blendenöffnungen sind denkbar. Wird die Apertur des ersten optischen Kanals durch eine Blende verkleinert, so können der erste optische Kanal und der zweite optische Kanal mit Ausnahme der Blende identisch aufgebaut sein. Insbesondere können das erste Objektiv und das zweite Objektiv den gleichen Durchmesser aufweisen. Ferner können auch die übrigen optischen Komponenten des ersten optischen Kanals und des zweiten optischen Kanals den gleichen Durchmesser aufweisen.
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Die Blende kann auch als Aperturstopblende bezeichnet werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Kanal mit einer zweiten Blende ausgestattet, deren Blendenöffnung größer ist als die Blendenöffnung der ersten Blende. In diesem Fall sind der erste optische Kanal und der zweite optische Kanal jeweils mit einer Blende ausgestattet. Die beiden Blenden können qualitativ übereinstimmen.
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Beispielsweise kann es sich bei der ersten Blende und bei der zweiten Blende jeweils um eine Blende mit kreisrunder Öffnung handeln. Die erste und die zweite Blende unterscheiden sich jedoch in der Größe ihrer Öffnung. Mit Ausnahme der ersten und zweiten Blende können der erste optische Kanal und der zweite optische Kanal identisch aufgebaut sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste optische Kanal mit einer Linse ausgestattet, welche die Apertur des ersten Kanals im Vergleich zu der Apertur des zweiten Kanals verkleinert. Es kann sich hierbei um eine beliebige Linse des ersten optischen Kanals handeln. Diese kann entweder zusätzlich in den ansonsten identisch wie der zweite optische Kanal aufgebauten ersten optischen Kanal aufgenommen sein oder eine andere Linse ersetzen. In letzterem Fall weist die Linse vorteilhafterweise abgesehen von der Apertur die identischen optischen Eigenschaften auf, wie die Linse, die sie ersetzt und wie die entsprechende Linse in dem zweiten optischen Kanal.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Objektiv einen kleineren Durchmesser auf als das zweite Objektiv. Dadurch wird die Apertur des ersten optischen Kanals ebenfalls gegenüber dem zweiten optischen Kanal verkleinert.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Bildsensor und der zweite Bildsensor in dem Schaft angeordnet.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Bildsensor und der zweite Bildsensor außerhalb des Schaftes angeordnet.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Kanal eine andere Blendenzahl auf als der zweite Kanal. Die Blendenzahl wird auch als F-Zahl, f-Zahl oder als Öffnungszahl bezeichnet. Sie ist der Quotient aus Brennweite und Durchmesser der wirksamen Eintrittspupille. Dies gilt insbesondere für das erste und zweite Objektiv. Der Durchmesser der wirksamen Eintrittspupille bestimmt die Apertur. Weist der erste optische Kanal eine kleinere Apertur auf als der zweite optische Kanal, so sind bei gleicher Brennweite die Blendenzahl des ersten optischen Kanals und die Blendenzahl des zweiten optischen Kanals verschieden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Blendenzahl des ersten Kanals größer ist als die Blendenzahl des zweiten Kanals.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das 3D-Video-Endoskop mit einer Bildbearbeitungseinrichtung ausgestattet, welche aus ersten Bildern, die der erste Bildsensor erzeugt, und aus zweiten Bildern, die der zweite Bildsensor erzeugt, dreidimensionale Bilder erstellt, und welche beim Erstellen der dreidimensionalen Bilder die Helligkeit der mit dem zweiten Bildsensor erzeugten zweiten Bilder und die Schärfentiefe der mit dem ersten Bildsensor erzeugten ersten Bilder übernimmt. Bei der Erzeugung der dreidimensionalen Bilder wird vorteilhafterweise der Kontrast berücksichtigt.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnommen werden.
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Figurenliste
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
- 1 3D-Video-Endoskop im Längsschnitt,
- 2 3D-Video-Endoskop gemäß 1 in einer Ansicht von vorne,
- 3 Ausschnitt aus 1,
- 4 Querschnitt durch das 3D-Video-Endoskop gemäß 1 entlang der in 3 mit H - H gekennzeichneten Ebene.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In den 1 bis 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines 3D-Video-Endoskops 1 dargestellt. Das 3D-Video-Endoskop weist einen länglichen Schaft 2 auf, der sich entlang einer Längsachse 3 erstreckt. In dem Schaft 2 sind ein erster Bildsensor 4 und ein zweiter Bildsensor 5 nebeneinander angeordnet. Die beiden Bildsensoren sind über Signalleitungen 14 und 15 mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Bildbearbeitungseinrichtung verbunden. Dem ersten Bildsensor 4 ist ein erster optischer Kanal 6 zugeordnet. Der erste optische Kanal 6 umfasst ein erstes Objektiv 7 am distalen Ende des Schaftes 2 und ein erstes optisches Bildleistungssystem 8. Das erste optische Bildleitungssystem 8 leitet das von dem ersten Objektiv 7 erhaltene Bild an den ersten Bildsensor 4 weiter. Das distale Ende des Schaftes 2 befindet sich in 1 auf der linken Seite. Das proximale Ende des Schaftes 2 befindet sich in 1 auf der rechten Seite. Dem zweiten Bildsensor 5 ist ein zweiter optischer Kanal 9 zugeordnet. Der zweite optische Kanal 9 umfasst ein zweites Objektiv 10 am distalen Ende des Schaftes 2 und ein zweites optisches Bildleistungssystem 11. Das zweite optische Bildleitungssystem 11 leitet das von dem zweiten Objektiv 10 erhaltene Bild an den zweiten Bildsensor 5 weiter. Das erste und zweite Bildleitungssystem 8, 11 umfassen mehrere Linsen als optische Komponenten.
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In dem ersten optischen Bildleitungssystem 8 ist eine erste Blende 12 angeordnet. In dem zweiten optischen Bildleitungssystem 11 ist eine zweite Blende 13 angeordnet. Die beiden Blenden 12, 13 sind in 3 dargestellt. Ferner sind die beiden Blenden 12, 13 in 4 in einer Aufsicht erkennbar. 4 zeigt einen Querschnitt durch das 3D-Videoendoskop entlang der in 3 gekennzeichneten Ebene H-H, in der die beiden Blenden 12, 13 angeordnet sind. Der äußere Durchmesser der beiden Blenden 12, 13 ist gleich. Beide Blenden 12, 13 weisen eine kreisrunde Blendenöffnung 16, 17 auf. Die beiden Blenden 12, 13 unterscheiden sich in der Größe der Blendenöffnung. Die Blendenöffnung 16 der ersten Blende 12 ist kleiner als die Blendenöffnung 17 der zweiten Blende 13. Die Größe der Blendenöffnung bestimmt die Helligkeit der mit dem ersten und zweiten optischen Kanal erzeugten Bilder. Da die Blendenöffnung 17 der zweiten Blende 13 größer ist als die Blendenöffnung 16 der ersten Blende 12, ist die Helligkeit der mit dem zweiten optischen Kanal erzeugten Bilder größer als die Helligkeit der mit dem ersten Kanal erzeugten Bilder.
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Die erste Blende 12 mit ihrer Blendenöffnung 16 bestimmt die Apertur des ersten optischen Kanals 6, da alle anderen optischen Komponenten des ersten optischen Kanals 6 eine größere Öffnungsweite aufweisen als die erste Blende 12. Entsprechendes gilt für den zweiten optischen Kanal: die zweite Blende 13 bestimmt mit ihrer Blendenöffnung 17 die Apertur des zweiten optischen Kanals, da alle anderen optischen Komponenten des zweiten optischen Kanals eine größere Öffnungsweite als die zweite Blende 13 aufweisen.
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2 zeigt das 3D-Video-Endoskop 1 in einer Ansicht von vorne auf das distale Ende. In dieser Darstellung sind der Schaft 2, das erste Objektiv 7 und das zweite Objektiv 10 erkennbar. Ferner ist in 2 die Ebene A - A markiert, entlang der das 3D-Video-Endoskop im Längsschnitt in 1 dargestellt ist.
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3 zeigt den mit B in 1 gekennzeichneten Ausschnitt aus 1. Erkennbar sind das erste Objektiv 7 und die erste Blende 12 des ersten optischen Kanals 6 und das zweite Objektiv 10 und die zweite Blende 13 des zweiten optischen Kanals. Das erste Objektiv 7 und das zweite Objektiv 10 weisen die gleiche Brennweite auf. Insgesamt ist die Brennweite des ersten optischen Kanals 6 identisch mit der Brennweite des zweiten optischen Kanals 9. Die durch die Blendenöffnung 16 der ersten Blende 12 vorgegebene Apertur des ersten optischen Kanals ist kleiner als die durch Blendenöffnung 17 der zweiten Blende 13 vorgegebene Apertur des zweiten optischen Kanals. Die f-Zahl ist der Quotient aus Brennweite und Apertur. Daraus ergibt sich, dass die f-Zahl des ersten optischen Kanals 6 größer ist als die f-Zahl des zweiten optischen Kanals 9. Auf der linken Seite von 3 sind für den ersten optischen Kanal und den zweiten optischen Kanal die Bereiche dargestellt, die auf dem ersten Bildsensor 4 und auf dem zweiten Bildsensor 5 scharf abgebildet werden. Der erste optische Kanal weist aufgrund der kleineren Blendenöffnung 16 der ersten Blende 12 eine kleinere Apertur auf als der zweite optische Kanal. Aus diesem Grund ist die Schärfentiefe des ersten optischen Kanals größer als die Schärfentiefe des zweiten optischen Kanals. Der scharf abgebildete Bereich des ersten optischen Kanals beginnt in 3 an der mit der Bezugszahl 19 gekennzeichneten Position und erstreckt sich ausgehend von der Position 19 nach links. Der scharf abgebildete Bereich des zweiten optischen Kanals beginnt in 3 an der mit der Bezugszahl 18 gekennzeichneten Position und erstreckt sich ausgehend von dieser Position nach links. Beide Bereiche erstrecken ungefähr gleich weit nach links. Das zweite Ende der scharf abgebildeten Bereiche des ersten und zweiten Kanals ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Daraus ergibt sich, dass der scharf abgebildete Bereich für den ersten optischen Kanal 6 näher am ersten Objektiv 7 beginnt als der scharf abgebildete Bereich des zweiten optischen Kanals 9, der in größerer Entfernung zum zweiten Objektiv 10 beginnt. Da der scharf abgebildete Bereich des ersten optischen Kanals und der scharf abgebildete Bereich des zweiten optischen Kanals ungefähr gleich weit nach links reichen, ergibt sich, dass der scharf abgebildete Bereich des ersten optischen Kanals größer ist als der scharf abgebildete Bereich des zweiten optischen Kanals. Die Schärfentiefe des ersten optischen Kanals ist damit größer als die Schärfentiefe des zweiten optischen Kanals.
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Sämtliche Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- 3D-Video-Endoskop
- 2
- Schaft
- 3
- Längsachse
- 4
- Erster Bildsensor
- 5
- Zweiter Bildsensor
- 6
- Erster optischer Kanal
- 7
- Erstes Objektiv
- 8
- Erstes Bildleitungssystem
- 9
- Zweiter optischer Kanal
- 10
- Zweites Objektiv
- 11
- Zweites Bildleitungssystem
- 12
- Erste Blende
- 13
- Zweite Blende
- 14
- Signalleitung
- 15
- Signalleitung
- 16
- Blendenöffnung der ersten Blende
- 17
- Blendenöffnung der zweiten Blende
- 18
- Beginn des scharf abgebildeten Bereichs des zweiten optischen Kanals
- 19
- Beginn des scharf abgebildeten Bereichs des ersten optischen Kanals