DE102023109837A1

DE102023109837A1 - Beleuchtungsvorrichtung, Faserendoskop und Verfahren zum Ermitteln einer Übertragungseigenschaft einer Beleuchtungsfaser

Info

Publication number: DE102023109837A1
Application number: DE102023109837.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Hauger; Christoph Schaeff
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2023-04-19
Filing date: 2023-04-19
Publication date: 2024-05-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung (2) mit mindestens einem Wellenfrontmanipulator (4), der zur Erzeugung eines Probenstrahls (10) eingerichtet ist, eine Wellenfront des Lichts einer Lichtquelle (3) derartig vorzuformen, dass das vorgeformte Licht im Wesentlichen in einem Objektbereich (13) fokussierbar ist. Außerdem umfasst die Beleuchtungsvorrichtung (1) eine Beleuchtungsfaser (8) zum Zuführen des vorgeformten Probenstrahls (10) zu dem Objektbereich (13), wobei einem distalen Ende (9) der Beleuchtungsfaser (8) ein optisches Element (15) zugeordnet ist, das eingerichtet ist, eine Eigenschaft des Probenstrahls (10) zu modifizieren. Außerdem betrifft die Erfindung ein Faserendoskop (1) mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung (2) sowie ein Verfahren (S100) zum Ermitteln einer Übertragungseigenschaft einer Beleuchtungsfaser (8) und eines dem distalen Ende (9) der Beleuchtungsfaser (8) zugeordneten optischen Elements (15).

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten eines Untersuchungsgegenstandes. Außerdem betrifft die Erfindung ein Faserendoskop mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Ermitteln einer Übertragungseigenschaft einer Beleuchtungsfaser.
Insbesondere bei empfindlichem Gewebe, wie beispielsweise innerhalb des Auges im Bereich der Ophthalmochirurgie aber auch bei neurochirurgischen Eingriffen finden zunehmend mikrochirurgische Verfahren Anwendung. Insbesondere in der Ophthalmochirurgie werden Operationsmikroskope, die häufig für Eingriffe am vorderen Augenabschnitt aber auch für Eingriffe an der Retina eingesetzt werden, zunehmen durch Endoskope ersetzt, die letztlich bei minimalinvasiven Eingriffen die Bildgebung erleichtern.
Ein häufiger Eingriff im vorderen Augenabschnitt ist dabei die Kataraktoperation, während das sogenannte epiretinale Membranpeeling einen typischen Eingriff an der Retina darstellt, bei dem die sogenannte epiretinale Membran mechanisch entfernt wird, die aufgrund eines unkontrollierten Wachstums von Bindegewebszellen auf der Oberfläche der Retina entsteht.
Am Beispiel des vorstehend beschriebenen epiretinalen Membranpeelings an der Retina wird die Notwendigkeit deutlich, eine verbesserte Beleuchtung und Bildgebung zur Verfügung zu stellen, mit der es möglich ist, insbesondere die Membran und etwaige Lefzen der Membran sicher abbilden zu können, um es dem Chirurgen zu ermöglichen, das epiretinale Membranpeeling möglichst sicher durchführen zu können. Aber auch bei weiteren Anwendungen in der Mikrochirurgie, insbesondere in der Neurochirurgie, besteht der Bedarf nach einer verbesserten Beleuchtung und Bildgebung, um den Chirurgen eine Tiefeninformation zur Verfügung zu stellen.
Aus dem Stand der Technik, genauer aus der Veröffentlichung Leite, Ivo T., et al. „Observing distant objects with a multimode fiber-based holo-graphic endoscope." APL Photonics 6.3 (2021):036112 (DOI:10.1063/5.0038367) ist ein holographisches Faserendoskop bekannt, das das Prinzip der Rasterabtastung (engl. „raster scanning“) verwendet. Hierbei werden Bilder aus der lokalen Antwort eines Untersuchungsgegenstandes - also letztlich dem Streulicht - auf einen von einem Mikrospiegelaktor vorgeformten und über eine Beleuchtungsfaser, die als Multimode-Faser gebildet ist, übertragenen Probenstrahl rekonstruiert. Der Mikrospiegelaktor, häufig alternativ auch als DMD („Digital Micromirror Device“) bezeichnet, verwendet ein Spiegel-Array basierend auf mikroelektromechanische Systemkomponenten-Technologie („MEMS-Technologie“). Die Spiegel sind dabei einzeln ansteuerbar und insbesondere kippbar. Der Mikrospiegelaktor wird dabei von einer Lichtquelle bestrahlt und formt die von dem Mikrospiegelaktor reflektierte Wellenfront vor, bevor das vorgeformte Licht dann in die Beleuchtungsfaser eingekoppelt wird, um - im Zusammenspiel mit der Multimode-Faser - die Position des Fokus innerhalb des Objektbereichs festlegen zu können. Der Mikrospiegelaktor beeinflusst dabei die Phasenlage der Wellenfront und wird daher auch als holographischer Modulator bezeichnet. Eine Detektorfaser sammelt dabei von der Oberfläche des Untersuchungsgegenstandes gestreutes und/oder reflektiertes Streulicht, wobei dessen Menge von der lokalen Reflektivität des Objekts, der Rauheit, der Ausrichtung und der axialen Tiefe abhängt. Der entsprechende Abbildungsbereich ist gegenüber der Oberfläche des distalen Endes der Beleuchtungsfaser und der Detektorfaser beabstandet. Bei der Rasterabbildung wird das Licht durch den Mikrospiegelaktor auf der Oberfläche des Untersuchungsgegenstandes in einem Objektpunkt fokussiert, wobei die axiale Lage der Fokusebene, also letztlich der Arbeitsabstand, durch eine geeignete Ansteuerung des Mikrospiegelaktors eingestellt werden kann. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Abbildungsbereich, also der fokussierbare Bereich, in einer Ebene mit dem Objektbereich liegt. Letztlich wird die Lichtausbreitung durch die Beleuchtungsfaser empirisch durch eine Übertragungsmatrix charakterisiert, die die lineare Beziehung zwischen günstig gewählten Sätzen von Eingangs- und Ausgangsfeldern beschreibt. Die Übertragungsmatrix beschreibt dabei also die Beziehung zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal der Multimodefaser in räumlich aufgelöster Weise. Es ist zum Beispiel möglich, die Darstellung orthogonaler, ebener Wellen, die von dem Mikrospiegelaktor abgeschnitten werden, als Grundlage für die Eingangsfelder und beugungsbegrenzte Brennpunkte in einem quadratischen Gitter in der Fernfeldebene der distalen Faserfacette als Grundlage für die Ausgangsfelder zu verwenden. Nach der Erfassung enthält die Übertragungsmatrix die Informationen für die Gestaltung der binären Mikrospiegelaktor-Muster zur Vorformung der proximalen Wellenfront, die zu Fernfeldfoki am distalen Ende des Endoskops führen. Dadurch lassen sich maßgeschneiderte Abbildungsbereiche abtasten, ohne dass die Multimode Beleuchtungsfaser bewegt werden müsste. Die erfassten Intensitäten lassen sich dann zu einem gemeinsamen Bild zusammensetzten.
Zwar hat sich das aus der Veröffentlichung von Leite, Ivo T., et al. beschriebenen Faserendoskops grundsätzlich bewährt, allerding hat es sich dabei als nachteilig erwiesen, dass die numerische Apertur durch die Verwendung der Multimode Faser beschränkt ist. Der Aufbau der Multimode Faser, die üblicherweise einen Kern aus reinem Siliziumdioxid aufweist, der von einem mit Fluor dotierten Siliziumdioxidmantel umgeben ist, resultiert in einem Brechungsindexkontrast zwischen dem Kern- und dem Mantelmaterial, der zu einer nominalen numerischen Apertur, NA, von 0,22 führt, was für medizinische Anwendungen häufig ungenügend ist.
Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, dass die Übertragungseigenschaften einer Beleuchtungsfaser, die als Multimodenfaser ausgeführt ist, durch Messung eines bekannten Referenzsignals nach Austritt aus der Faser bestimmt werden können. Da dies allerdings nur eine Kalibrierung der Faser vor deren Verwendung ermöglicht, sind aus dem Stand der Technik weitere Methoden bekannt, um die Übertragungseigenschaften von Multimodefasern auch unter dem Einfluss diverser Umgebungsbedingungen theoretisch zu modellieren. Eine solche Methode ist beispielsweise in der WO 2016/193718 A1 beschrieben, gemäß der die Lichtausbreitung in gekrümmte Fasern beziehungsweise der Einfluss von Faserverformungen (Biegung) auf die Übertragungseigenschaften der Multimodefaser vorhersagbar sind. Nachteilig setzt eine solche Modellierung jedoch die Kenntnis der Faserverformung voraus, was während der Verwendung der Faser, beispielsweise im Körper eines Patienten, problematisch sein kann. Zudem beschränkt sich hier die Modellierung ausschließlich auf die Faser selbst, nicht jedoch auf weitere Elemente innerhalb des Strahlengangs, die mit der Beleuchtungsfaser unmittelbar verbunden sein können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu reduzieren und insbesondere eine verbesserte Beleuchtungsvorrichtung und ein verbessertes Faserendoskop bereitzustellen, die ein breiteres Einsatzgebiet begünstigen. Außerdem ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln einer Übertragungseigenschaft einer Beleuchtungsfaser bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit mindestens einem Wellenfrontmanipulator, der zur Erzeugung eines Probenstrahls eingerichtet ist, eine Wellenfront des Lichts einer Lichtquelle derartig vorzuformen, dass das vorgeformte Licht im Wesentlichen in einem Objektbereich fokussierbar ist. Außerdem umfass die Beleuchtungsvorrichtung eine Beleuchtungsfaser zum Zuführen des vorgeformten Probenstrahls zu dem Objektbereich. Einem distalen Ende der Beleuchtungsfaser ist ein optisches Element zugeordnet, das eingerichtet ist, eine Eigenschaft des Probenstrahls zu modifizieren.
Zwar ist es durch die Vorformung der Wellenfront durch den Wellenfrontmanipulator bereits möglich, die Eigenschaften des Probenstrahls zu verändern, allerding unterliegt diese Veränderbarkeit gewissen Restriktionen, wie eingehend beschrieben. Mit der erfindungsgemäßen Zuordnung eines optischen Elements an das distale Ende der Beleuchtungsfaser ist es hingegen möglich, die aus dem Stand der Technik bekannten Limitationen zu reduzieren, so dass es mit dem erfindungsgemäßen distalen Ende der Beleuchtungsfaser möglich ist, die Eigenschaften des Probenstrahls gezielt anzupassen, indem beispielsweise mit dem optischen Element die numerische Apertur des distalen Endes der Beleuchtungsfaser erweitert wird. Das optische Element kann dabei fest mit dem distalen Ende der Beleuchtungsfaser verbunden oder auch integral mit dem distalen Ende der Detektorfaser gebildet sein. Alternativ ist es hier aber auch möglich, das optische Element lösbar an dem distalen Ende der Beleuchtungsfaser anzubringen. Im Rahmen der Erfindung ist es darüber hinaus aber auch vorgesehen, dass mehrere Beleuchtungsfasern vorgesehen sind, an deren distalen Enden jeweils unterschiedliche optische Elemente zugeordnet sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Faserendoskop mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung, wobei der Wellenfrontmanipulator ferner eingerichtet ist, die Wellenfront derartig vorzuformen, dass der Probenstrahl auf eine Vielzahl von Objektpunkten des Objektbereichs rasternd ablenkbar ist. Außerdem weist das Faserendoskop mindestens eine Detektorfaser auf zum Zuleiten von an dem jeweiligen Objektpunkt des Objektbereichs gestreuten und/oder reflektierten Streulicht zu einem Detektor.
Indem der Probenstrahl rasternd über den Objektbereich geführt wird, und für jeden Objektpunkt das gestreute und/oder reflektierte Streulicht dem Detektor über die Detektorfaser zugeführt wird, kann letztlich eine rasternde Bildgebung erreicht werden. Mittels einer Rechnereinheit, die mit dem Detektor verbunden ist, kann dann aus den von dem Detektor erfassten Daten ein Bild erzeugt werden. Hierbei kann ein distales Ende der Detektorfaser ebenfalls so eingerichtet sein, dass das Einkoppeln des Streulichts vereinfacht wird. Beispielsweise kann das Streulicht ebenfalls durch das optische Element der Beleuchtungsfaser der Detektorfaser zugeführt werden. Hierbei kann es sich bevorzugt um dasselbe optische Element handeln, das der Beleuchtungsfaser zugeordnet ist und den Probenstrahl entsprechend beeinflusst. Alternativ kann auch dem distalen Ende der Detektorfaser ein weiteres optisches Element zugeordnet sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Übertragungseigenschaft einer Beleuchtungsfaser und eines ihrem distalen Ende zugeordneten optischen Elements, das eingerichtet ist, eine Eigenschaft des Probenstrahls zu modifizieren, insbesondere zum in situ Ermitteln der Übertragungseigenschaften, wie beispielsweise eine Übertragungseigenschaft in Form einer Übertragungsmatrix oder eines Teils davon. In einem ersten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Einkoppeln eines Lichtsignals in ein proximales Ende der Beleuchtungsfaser. Das Lichtsignal kann dabei von einer Lichtquelle, beispielsweise einem RGB-Laser erzeugt und von einem Wellenfrontmanipulator vorgeformt werden, der beispielsweise als ein Mikrospiegelaktor gebildet sein kann. In einem weiteren Schritt erfolgt das Einstellen einer Fokusebene des Lichtsignals auf eine Referenzmaske. Die Referenzmaske kann dabei bevorzugt in einem vorgegebenen Abstand zu dem optischen Element oder dem distalen Ende der Beleuchtungsfaser angeordnet sein. Im Rahmen der Erfindung ist es hier aber insbesondere auch vorgesehen, dass die Referenzmarke innerhalb des optischen Elements selbst angeordnet ist, das dem distalen Ende der Beleuchtungsfaser zugeordnet ist, oder monolithisch mit diesem verbunden ist. Die Referenzmarke weist bevorzugt eine vorbestimmte örtlich aufgelöste Reflexivität, Transparenz, Absorption und/oder Polarisation auf. Alternativ oder zusätzlich ist die Referenzmaske als vorbestimmtes Interferenzgitter ausgebildet. Die Referenzmaske ist beispielsweise auf beziehungsweise in dem optischen Element aufgedruckt, eingeätzt, eingraviert oder dergleichen, das dem distalen Ende der Beleuchtungsfaser zugeordnet ist. Die Fokusebene des Lichtsignals wird bevorzugt durch den Wellenfrontmanipulator eingestellt. Das Fokussiermittel wird dabei bevorzugt von einer Steuereinheit angesteuert. In einem weiteren Schritt des Verfahrens erfolgt das Erfassen eines Streulichts der Referenzmaske, bevorzugt eines aus dem proximalen Ende der Beleuchtungsfaser ausgekoppelten Streulichts. Die Referenzmaske ist bevorzugt derart ausgebildet, dass die in der Fokusebene des Probenstrahls befindliche Referenzmaske einen vorbestimmten Einfluss auf das Steulicht aufweist. Das erfasste Streulicht der Referenzmaske entspricht somit einer bekannten Referenz und weist insbesondere ein vorbekanntes Muster, beispielsweise Interferenzmuster, Intensitätsmuster, Polarisationsmuster und/oder Farbmuster oder dergleichen auf. Das Streulicht wird gleichzeitig durch Übertragungseigenschaften der Beleuchtungsfaser aber auch durch die Übertragungseigenschaften des optischen Elements beeinflusst. In einem weiteren Schritt des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung erfolgt das Ermitteln der Übertragungseigenschaft der Beleuchtungsfaser und des ihrem distalen Ende zugeordneten optischen Elements anhand des ausgekoppelten Streulichts der Referenzmaske und anhand einer Information zu einer vorbekannten Eigenschaft der Referenzmaske. Hierbei kann das Ermitteln der Übertragungseigenschaften bevorzugt anhand eines Vergleichs des ausgekoppelten Streulichts der Referenzmaske und der Information zu einer vorbekannten Eigenschaft der Referenzmaske erfolgen. Insbesondere betrifft die Information zu einer vorbekannten Eigenschaft der Referenzmaske ein unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise Kalibrierbedingungen, erwartetes oder erwartbares Streulicht der Referenzmaske, also beispielsweise ein mittels einer bestimmten und nicht gekrümmten Beleuchtungsfaser, bei einer bestimmten Temperatur und/oder bei einem bestimmten Druck erfasstes Streulicht der Referenzmaske. Hierbei kann ein vorgegebenes optisches Element, das beispielsweise als ein Umlenkprisma, ein Doppelprisma, eine optische Linse oder ein speziell bearbeitetes distales Ende der Beleuchtungsfaser selbst gebildet sein kann, mitberücksichtigt werden. Mittels eines solchen Vergleichs lassen sich Abweichungen zwischen dem erfassten Streulicht und dem erwarteten/erwartbaren Streulicht der Referenzmaske ermitteln, wobei diese Abweichungen auf die aktuellen Übertragungseigenschaften der Beleuchtungsfaser und des optischen Elements zurückzuführen sind. Anhand der ermittelten Abweichungen lassen sich somit vorteilhaft Rückschlüsse auf die aktuellen Übertragungseigenschaften (eine aktuelle Übertragungsmatrix) der Beleuchtungsfaser und des optischen Elements ziehen. Anhand der ermittelten Übertragungseigenschaften der Beleuchtungsfaser und des optischen Elements sind vorteilhaft von dem Untersuchungsgegenstand erfasstes Streulicht korrigierbar, Übertragungseigenschaften des Gesamtsystems manipulierbar (beispielsweise zur Kompensation der ermittelten Abweichung) und/oder Rückschlüsse auf einen aktuellen Zustand der Beleuchtungsfaser und des optischen Elements möglich, das dem distalen Ende der Beleuchtungsfaser zugeordnet ist. Auch ist es hierbei möglich, anhand der ermittelten Abweichungen Rückschlüsse auf die Art des verwendeten optischen Elements zu ziehen, das dem distalen Ende der Beleuchtungsfaser zugeordnet ist.
Hiermit wird letztlich ein verbessertes Verfahren bereitgestellt, das der Bestimmung der Übertragungseigenschaften einer Beleuchtungsfaser und eines dem distalen Ende der Beleuchtungsfaser zugeordneten optischen Elements dient. Zudem kann hierdurch die Änderung etwaiger Übertragungseigenschaften, die ansonsten von dem Wellenfrontmanipulator durchgeführt werden, zumindest teilweise von dem optischen Element übernommen werden, so dass die Vorformung der Wellenfront vereinfacht oder beschleunigt wird.
Im Allgemeinen bezieht sich der Begriff „Lichtquelle“ auf eine Vorrichtung, die zur Emission von Licht einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs ausgebildet ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Lichtquelle“ aber auch eine Vorrichtung verstanden, die in der Lage ist, Licht mit mehreren Wellenlängen und/oder Wellenlängenbereichen zu emittieren. Der Begriff „Licht“ umfasst dabei nicht nur sichtbares Licht, sondern auch Infrarotlicht und Ultraviolettstrahlung.
Im Allgemeinen bezieht sich der Begriff „Wellenfrontmanipulator“ auf eine Vorrichtung, mit der die Wellenfront des von der Lichtquelle emittierten Lichts geformt wird, bevor es in die Beleuchtungsfaser eingekoppelt wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Wellenfrontmanipulator als ein Mikrospiegelaktor gebildet, umfasst also eine Anordnung einer Vielzahl einzelner Spiegel, die individuell ansteuerbar sind, um das auf sie auftreffende Licht entsprechend vorzuformen, wie dies in der eingangs genannten Veröffentlichung von Leite, Ivo T., et al. im Detail beschrieben ist. Mit anderen Worten kann durch den Mikrospiegelaktor - häufig auch als „Digital Micromirror Device“ (kurz: DMD) bezeichnet - die Wellenfront des von der Lichtquelle kommenden und von dem Mikrospiegelaktor reflektierten Lichts gezielt vorgeformt werden, um die Eigenschaften des von dem Mikrospiegelaktor reflektierten Lichts abzuändern. Im Zusammenspiel mit der Beleuchtungsfaser können hierdurch letztlich die Eigenschaften des Lichts, das aus der Beleuchtungsfaser kommend als Probenstrahl den Untersuchungsgegenstand trifft, gezielt angepasst werden. Insbesondere lässt sich dabei die Position der Fokusebene aber auch die Position des Fokuspunkts innerhalb der Fokusebene einstellen. So kann also - ohne die Beleuchtungsfaser hierfür bewegen zu müssen - die Position des Fokus verändert werden. Da derartige Wellenmanipulatoren sehr schnell angesteuert werden können, ist es durch die Verwendung des Wellenmanipulators möglich, den Objektbereich rasternd zu beleuchten, also den Fokus über den Untersuchungsgegenstand wandern zu lassen, wie dies in der eingangs genannten Veröffentlichung von Leite, Ivo T., et al. beschrieben ist. Zur Ansteuerung des Wellenfrontmanipulators ist dabei ein Steuergerät vorgesehen, wobei sich der Begriff „Steuergerät“ im Allgemeinen auf eine Vorrichtung bezieht, mit der insbesondere der Wellenfrontmanipulator bzw. die einzelnen Spiegelelemente des Mikrospiegelaktors gezielt angesteuert werden können. Zudem kann das Steuergerät aber auch dazu verwendet werden, andere Elemente, wie beispielsweise einen Detektor, anzusteuern, also dessen Funktionsweise direkt oder indirekt zu beeinflussen. Zur Vorformung der Wellenfront kann dabei jedem Wellenfrontmanipulator ein Steuergerät dezidiert zugeordneten sein oder die Wellenfrontmanipulatoren können von einem gemeinsamen Steuergerät angesteuert werden.
Der Begriff „Beleuchtungsfaser“ bezieht sich im Allgemeinen auf die Faser, die der Zuleitung des von dem Wellenfrontmanipulator vorgeformten Lichts zu dem Untersuchungsgegenstand dient. Dieses von dem Wellenfrontmanipulator vorgeformte Licht, das letztlich fokussiert auf die Oberfläche des Untersuchungsgegenstandes trifft, wird im Allgemeinen auch als „Probenstrahl“ bezeichnet. Die Beleuchtungsfaser weist dabei ein erstes, proximales Ende und ein zweites, distales Ende auf. Der Begriff „proximales Ende“ bezieht sich dabei vorliegend auf das dem Wellenfrontmanipulator zuweisende Ende der Beleuchtungsfaser und dient der Einkopplung des von dem Wellenfrontmanipulator vorgeformten Lichts. Der Begriff „distales Ende“ bezeichnet hingegen vorliegend das dem Untersuchungsgegenstand zuweisende Ende der Beleuchtungsfaser, aus dem der Probenstrahl wieder aus der Beleuchtungsfaser austritt und auf den Untersuchungsgegenstand geleitet wird. Anstelle des Begriffs „Faser“ kann als Synonym auch der Begriff „Lichtleiter“ verwendet werden.
Unter dem Begriff „Objektbereich“ wird im Allgemeinen der Ausschnitt der Oberfläche des Untersuchungsgegenstandes verstanden, der von dem Probenstrahl des Faserendoskops bestrahlt oder beleuchtet werden kann. Die Größe dieses Objektbereichs hängt einerseits von der numerischen Apertur, aber insbesondere auch von dem „Arbeitsabstand“ ab, also letztlich vom Abstand des distalen Endes der Beleuchtungsfaser von dem Objektbereich bzw. der Oberfläche des Untersuchungsgegenstandes. In diesem Zusammenhang wird auch darauf hingewiesen, dass sich der Begriff „Objektpunkt“ auf einen einzelnen Punkt innerhalb des Objektbereichs bezieht, auf den der von dem Wellenfrontmodulator vorgeformte Probenstrahl fokussiert werden kann. Die Anzahl der beleuchteten Objektpunkte ist dabei letztlich ein Maß für die Auflösung, mit dem bei dem Faserendoskop die Bilder erfasst werden. Der Arbeitsabstand lässt sich beispielsweise mittels optischer Kohärenztomographie (kurz „OCT“) messen. Hierbei wird ein kohärenter Lichtstrahl erzeugt, typischerweise im Nahinfrarotbereich, der durch die Beleuchtungsfaser zu dem Objektbereich geführt werden kann. Durch die Messung der Phasenverschiebung gegenüber einem Referenzstrahl, kann die Laufzeit des Lichts erfasst werden und so ist es mittels der OCT-Messungen möglich, Abstände zu messen, die sich in unterschiedlichen Phasenverschiebungen des von der Oberfläche des Objektbereichs empfangenen Lichts gegenüber dem Referenzstrahl ausdrücken. Insbesondere kann dabei die Beleuchtungsfaser oder eine zusätzliche Faser für die OCT-Messung verwendet werden.
Der Begriff „Detektorfaser“ bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf den Lichtleiter, mit dem das von dem jeweiligen Objektpunkt reflektierte und/oder gestreute Licht - auch als „Streulicht“ bezeichnet - erfasst und zu dem Detektor geleitet werden kann. Die Detektorfaser weist hierbei ebenfalls ein erstes, proximales Ende und ein zweites, distales Ende auf. Das „proximale Ende“ der Detektorfaser ist dabei das Ende, das der Auskoppelung des Streulichts zu dem Detektor dient. Das „distale Ende“ der Detektorfaser bezeichnet hingegen das Ende, das der Einkopplung des Streulichts in die Detektorfaser dient. Die Detektorfaser weist dabei einen Erfassungsbereich auf, dessen Größe bzw. Durchmesser durch den so genannten Akzeptanzwinkel, der für jeden Lichtleiter spezifisch ist, und den Beobachtungsabstand bestimmt wird. Der „Beobachtungsabstand“ ist dabei letztlich der Abstand zwischen dem distalen Ende der Detektorfaser und dem Untersuchungsgegenstand. Bevorzugt ist der Beobachtungsabstand dabei im Wesentlichen identisch mit dem Arbeitsabstand. Trifft Streulicht außerhalb des Akzeptanzwinkels auf das distale Ende der Detektorfaser, so wird dieses Streulicht nicht zu dem Detektor geleitet. In diesem Zusammenhang wird noch darauf hingewiesen, dass der Erfassungsbereich nicht zwingendermaßen identisch mit dem Objektbereich sein muss, jedoch üblicherweise einen großen Überlappungsbereich aufweist. Unter dem Begriff „Detektor“ wird hierbei insbesondere ein Photodetektor, ein Lichtsensor oder ein optischer Detektor verstanden, also elektronische Bauelemente, die Streulicht in ein elektrisches Signal umwandeln oder einen von der einfallenden Strahlung abhängigen elektrischen Widerstand anzeigen. Im Rahmen der Erfindung erfasst der Detektor das von der Oberfläche des Untersuchungsgegenstandes reflektierte und/oder gestreute Streulicht, das dem Detektor durch die Detektorfaser zugeleitet wird.
Die Beleuchtungsfaser ist in vorteilhafter Weise als ein Multimode Lichtleiter gebildet. Hierdurch kann eine Reihe von ausbreitungsinvarianten Moden (engl. propagation invariant modes, PIMs) unterstützt werden, die ihre Feldverteilung bei der Ausbreitung durch die Faser nicht verändern und von denen jede durch eine bestimmte Ausbreitungskonstante gekennzeichnet ist, die ihre Phasengeschwindigkeit bestimmt. Die damit verbundenen Kosten sind jedoch vergleichsweise hoch. Aus diesem Grund kann die Detektorfaser als Singlemode Lichtleiter gebildet sein, was sich positiv auf die Herstellkosten auswirkt, jedoch zu Lasten der Lichtausbeute geht.
Die von dem Detektor erfassten Signale werden von einer Rechnereinheit zu einem Bild zusammengefügt. Im Rahmen der Erfindung wird in diesem Zusammenhang von der Formulierung „Rechnereinheit“ insbesondere ein Computer umfasst, der geeignet ist, die einzelnen Signale des Detektors oder der Detektoren zu dem Bild zusammenzufügen. Die Rechnereinheit kann dabei auch Teil der Steuereinheit sein aber auch diese umfassen. Auch ist es vorgesehen, dass sich zumindest Teile der Rechnereinheit an unterschiedlichen Standorten befinden oder die Bilder über das Internet und geräteunabhängig im Rahmen eines „Cloud-Computings“ aus den Detektordaten zusammengefügt werden.
Im Rahmen der Erfindung hat es sich als besonders günstig gezeigt, wenn die durch das dem distalen Ende der Beleuchtungsfaser zugeordnete optische Element veränderbare Eigenschaft des Probenstrahls ausgewählt ist aus einer Gruppe, die eine Richtung des Probenstrahls, eine Form und Größe der Fokussierung des Probenstrahls auf dem Objektbereich und die Größe des Objektbereichs umfasst. Somit ist es mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung möglich, beispielsweise die Richtung des Probenstrahls zu verändern. Zwar kann der Probenstrahl auch durch den Wellenfrontmanipulator in beschränktem Umfang abgelenkt werden, um den Fokus innerhalb des Objektbereich auf die einzelnen Objektpunkte fokussieren zu können, allerdings ist bei dieser Ablenkung durch den Wellenfrontmanipulator der Probenstrahl im Wesentlichen unverändert parallel zu der Längsachse des distalen Endes der Beleuchtungsfaser. Durch das optische Element erfolgt hingegen eine deutlich weitergehende Ablenkung des Probenstrahls, so dass sich die Richtung des Probenstrahls deutlich von der Längsachse des distalen Endes der Beleuchtungsfaser unterscheidet. Auch ist es mit dem optischen Element möglich, die Form und die Größe der Fokussierung des Probenstrahls auf dem Objektbereich zu ändern. Zudem kann auch durch die geeignete Ausgestaltung des optischen Elements am distalen Ende der Beleuchtungsfaser aber auch die Größe des Objektbereichs selbst verändert werden.
Das optische Element kann in einer bevorzugten Ausführungsform ausgewählt sein aus einer Gruppe, die ein den Probenstrahl ablenkendes Umlenkprisma, ein den Probenstrahl ablenkendes Doppelprisma, eine optische Linse, sowie ein speziell bearbeitetes Faserende umfasst. Das Umlenkprisma kann dabei den Probenstrahl um einen Winkel zwischen 70° und 90°, bezogen auf die Längsachse des distalen Endes der Beleuchtungsfaser, ablenken also letztlich die Richtung des Probenstrahls umlenken. Hiermit wird dann letztlich erreicht, dass der Probenstrahl „um die Ecke“ gerichtet wird. Mit dem Doppelprisma ist es hingegen möglich, den Probenstrahl um 180° abzulenken, so dass es hiermit möglich ist, einen Objektbereich zu beleuchten, der letztlich entgegen der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung, also „rückwärts“, gerichtet ist und damit nach hinten zeigt, so dass hiermit also ebenfalls letztlich die Richtung des Probenstrahls und damit die Position des Objektbereichs abgeändert wird. Mit der Verwendung optischer Linsen kann zum einen ebenfalls erreicht werden, dass die Richtung des Probenstrahls angepasst wird. Allerdings ist es mit der Verwendung der optischen Linse auch möglich, die Form und die Größe des Fokus des Probenstrahls aber auch die des Objektbereichs zu verändern, wie nachstehend noch näher beschrieben wird. Alternativ kann das optische Element aber auch durch eine spezielle Bearbeitung des distalen Endes der Beleuchtungsfaser selbst erreicht werden. Dies kann beispielsweise mittel optischem Finish und/oder dem Schliff des distalen Endes der Beleuchtungsfaser erreicht werden.
Wenn das optische Element als eine optische Linse ausgeführt ist, hat es sich bewährt, wenn die optische Linse als eine Fisheye Linse oder als ein Axicon ausgebildet. Durch die Verwendung einer Fisheye Linse wird insbesondere das Sichtfeld erweitert, und zwar auf 180°, vorzugsweise auf mehr als 180°. Alternativ kann die optische Linse als ein Axicon ausgebildet sein. Im Allgemeinen bezieht sich der Begriff „Axicon“ dabei auf eine spezielle, konisch geschliffene Linse. Mit der Verwendung eines Axicon lässt sich ein ringförmiges Strahlprofil erzeugen, wodurch letztlich die Form und Größe des Fokus des Beleuchtungsstrahls und damit aber auch die Form des Objektbereichs verändert und in einen Ring transformiert wird. Die Verwendung eines Axicons würde also den im Wesentlichen punktförmigen Beleuchtungsstrahl in einen Ringstrahl transformieren, dessen Radius dann wiederum von dem Wellenfrontmanipulator vorgegeben werden kann. Zwar wäre es grundsätzlich möglich, durch die Vorformung der Wellenfront ebenfalls eine ringförmige Beleuchtung zu erzeugen, indem die Objektpunkte des Rings sukzessive von dem Probenstrahl beleuchtet werden, allerdings bietet die Verwendung des Axicons den Vorteil einer höheren optischen Qualität ermöglicht letztlich auch ein schnelleres Schalten und Ansteuern des Systems, da die ringförmige Beleuchtung letztlich durch ein punktuelles Beleuchten des Axicons erreicht werden kann. Grundsätzlich können Axicone dabei sowohl konvex als auch konkav sein. Bei dem durch die Axicon Linse erzeugten Strahlprofil entsteht ein lokal begrenzter Bessel-ähnlicher Strahl, welcher als Folge der Interferenz aller Teilstrahlen entlang der optischen Achse entsteht. Da bei der Verwendung von Axicon-Linsen nun Bressel-Strahlen anstelle von Gauß-Strahlen erzeugt werden, ist diese ringförmige Lichtverteilung entlang der optischen Achse des Beleuchtungsstrahls über einen gewissen Bereich lateral konstant, da diese Bessel-Strahlen letztlich keine Beugungseffekte zeigen. Indem von dem Probenstrahl ein geeignetes Muster erzeugt wird, kann durch die Wahl des Musters eine Messung oder Analyse beispielsweise der Oberfläche stattfinden, so dass hierdurch auf einen zusätzlichen Sensor verzichtet werden kann.
Als besonders günstig hat es sich zudem gezeigt, wenn das optische Element schaltbar ist, wodurch sichergestellt werden kann, dass die verändernde Wirkung des optischen Elements ein- und ausschaltbar ist. In diesem Zusammenhang hat es sich dann bewährt, wenn zum Schalten des optischen Elements ein Schaltelement vorgesehen ist. Im Rahmen der Erfindung kann das Schaltelement beispielsweise ausgebildet sein, eine polarisationsabhängige oder farbabhängige Schaltung zu erzielen. Hierbei kann dann beispielsweise durch eine Polarisation der in die Beleuchtungsfaser eingekoppelten vorgeformten Wellenfront das optische Element zwischen zwei Zuständen geschaltet werden. So kann das Schaltelement beispielsweise als ein Polarisator gebildet sein, der die vorgeformte Wellenfront in einer ersten Richtung und in einer zweiten Richtung, die senkrecht zu der ersten Richtung orientiert ist, polarisiert. Hierbei kann dann das optische Element, beispielsweise das Umlenkprisma, so gestaltet sein, dass dieses lediglich das Licht ablenkt, das in der zweiten Richtung polarisiert ist, während das Umlenkprisma für Licht der ersten Polarisationsrichtung transparent ist und damit den Probenstrahl nicht beeinflusst.
Hierbei kann das Schaltelement dann bevorzugt zwischen dem Wellenfrontmanipulator und dem proximalen Ende der Beleuchtungsfaser angeordnet sein, wodurch auf einfache Art und Weise eine Schaltung des optischen Elements sichergestellt werden kann, ohne das optische Element selbst schalten zu müssen. Das Schaltelement kann dabei von dem Steuergerät angesteuert werden, um zwischen den einzelnen Schaltzuständen schalten zu können.
Als vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, wenn der Wellenfrontmanipulator zweifach vorgesehen ist. Durch die Verwendung mehrerer Wellenfrontmanipulatoren, deren vorgeformte Wellenfronten in einer bevorzugten Ausführungsform jeweils in dieselbe Beleuchtungsfaser eingekoppelt werden, kann letztlich die Beleuchtung zweier Objektbereiche realisiert werden, die räumlich voneinander getrennt sind.
Als günstig hat es sich auch erwiesen, wenn die Beleuchtungsfasern und/oder die Detektorfasern unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind. Im Allgemeinen bezieht sich der Begriff „unmittelbar benachbart“ auf den Umstand, dass die Beleuchtungsfasern und/oder die Detektorfasern zumindest im Bereich ihrer distalen Enden in direktem Kontakt miteinander sind. Hierbei münden die distalen Enden im Wesentlichen in einer Ebene. Bei der Verwendung mehrerer Beleuchtungsfasern und/oder Detektorfasern können sämtliche Fasern unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sein. In einer breiteren Lesart sind hiervon aber auch Konfigurationen umfasst, bei denen die Beleuchtungsfasern und/oder Kollektorfasern einen, wenn auch geringen Abstand zueinander aufweisen oder von einem Trennelement voneinander beabstandet sind. Die unmittelbar benachbarte Anordnung der Fasern bietet dabei neben einer definierten Positionierung den Vorteil, dass sich das erfindungsgemäße Faserendoskop einfacher in ein medizinisches Instrument und/oder Implantat integrieren lässt.
Als vorteilhaft hat es sich auch gezeigt, wenn die Lichtquelle als ein Laser, besonders bevorzugt als ein RGB-Laser ausgebildet ist. Insbesondere mit der Verwendung eines RGB-Lasers lässt sich eine Farbwiedergabe des Faserendoskops erreichen.
Bewährt hat es sich zudem, wenn eine Anzeigevorrichtung zur Darstellung des Bildes vorgesehen ist. Hierbei kann insbesondere ein Monitor verwendet werden. Auch ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass das endoskopische Bild zur Augmentierung eines anderen Bildes verwendet wird, das beispielsweise mittels eines Operationsmikroskops erstellt wird.
Als besonders vorteilhaft hat es sich zudem gezeigt, wenn ein Bedienelement vorgesehen ist zur Betätigung eines den Wellenfrontmanipulator ansteuernden Steuergeräts. Hierdurch ist es für den Benutzer, beispielsweise einen Chirurgen, möglich, die Beleuchtung oder die Bilderfassung gezielt zu starten. Das Bedienelement kann dabei in unmittelbarer Nähe zu dem Wellenfrontmanipulator angebracht sein. Alternativ oder ergänzend lässt sich das Bedienelement aber auch an einer zentralen Bedieneinheit anordnen. Das Bedienelement kann dabei als ein Taster und/oder als eine digitale Lösung, beispielsweise als Element eines Touchscreens, ausgebildet sein. Auch kann das Bedienelement als eine Sprachsteuerung realisiert sein.
Für die Anwendung hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung oder das erfindungsgemäße Faserendoskop zumindest teilweise in einem chirurgischen Instrument, bevorzugt in einem ophthalmochirurgischen Instrument integriert ist. Insbesondere kann dabei der mindestens eine Wellenfrontmanipulator und/oder dessen Steuergerät in dem chirurgischen Instrument integriert sein. Zudem ist es im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen, dass die mindestens eine Lichtquelle ebenfalls in dem chirurgischen Instrument angeordnet ist. Alternativ kann die Lichtquelle allerdings mit dem Wellenfrontmanipulator über einen Lichtleiter so gekoppelt werden, dass das Licht der Lichtquelle auf den Wellenfrontmanipulator gelenkt wird. Zudem kann auch das Bedienelement an dem chirurgischen Instrument angeordnet sein, wodurch es dem Chirurgen ermöglicht wird, das Steuergerät und damit letztlich auch den Wellenfrontmanipulator unmittelbar zu bedienen, um beispielsweise die Erfassung der Bilder manuell starten zu können.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Im Folgenden wird die Erfindung an mehreren in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Faserendoskops mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung,
2 eine Detailansicht des Faserendoskops mit einem als Umlenkprisma gebildeten optischen Element,
3 eine Detailansicht des Faserendoskops mit einem als Doppelprisma gebildeten optischen Element,
4 eine Detailansicht des Faserendoskops mit einem geschliffenen distalen Ende der Beleuchtungsfaser,
5 eine Detailansicht des Faserendoskops mit einem als Fisheye Linse gebildetem optischen Element,
6 eine Detailansicht des Faserendoskops mit einem als Axicon gebildetem optischen Element, und
7 eine schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer Übertragungseigenschaft einer Beleuchtungsfaser und eines ihrem distalen Ende zugeordneten optischen Elements.

1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein erfindungsgemäßes Faserendoskop 1, das zur rasternden Bildgebung ausgelegt ist. Das Faserendoskop 1 umfasst dabei eine Beleuchtungsvorrichtung 2 mit einer Lichtquelle 3, die Licht auf einen Wellenfrontmanipulator 4 emittiert, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als ein Mikrospiegelaktor 5 gebildet ist. Der Mikrospiegelaktor 5 ist dabei von einem Steuergerät 6 ansteuerbar, um die von dem Mikrospiegelaktor 5 reflektierte Wellenfront vorzuformen. Das von dem Mikrospiegelaktor 5 vorgeformte Licht wird bei der gezeigten Ausführungsform in ein proximales Ende 7 einer Beleuchtungsfaser 8 eingekoppelt, die als eine Multimodefaser ausgeführt ist. Durch eine geeignete Vorformung der Wellenfront ist es möglich, das von einem distalen Ende 9 der Beleuchtungsfaser 8 als ein Probenstrahl 10 emittierte Licht in einem Objektpunkt 11 innerhalb eines auf einem Untersuchungsgegenstand 12 ausgebildeten Objektbereichs 13 zu fokussieren und dann den Probenstrahl 10 über im Wesentlichen sämtliche Objektpunkte 11 des Objektbereichs 13 zu rastern. Der Untersuchungsgegenstand 12 ist dabei bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Auge 14 eines Patienten gebildet. Durch die Vorformung der Wellenfront kann die Position des Fokus innerhalb dieses Objektbereichs 13 gezielt verändert werden, um letztlich mit dem fokussierten Probenstrahl 10 die einzelnen Objektpunkte 11 des Objektbereichs 13 rasternd zu beleuchten und damit den Objektbereich 13 abzuscannen. Dem distalen Ende 9 der Beleuchtungsfaser 8 ist dabei ein optisches Element 15 zugeordnet, das eingerichtet ist, eine Eigenschaft des Probenstrahls 10 zu modifizieren. Wie insbesondere noch mit Bezug zu der in der 2 dargestellten Detailansicht beschrieben wird, handelt es sich bei dem optischen Element 15 vorliegend um ein Umlenkprisma 16, das den Beleuchtungsstrahl letztlich um 90° bezogen auf eine Längsachse 17 des distalen Endes 9 der Beleuchtungsfaser 8 umlenkt. Das optische Element 15 an dem distalen Ende 9 der Beleuchtungsfaser 8 ist also ausgelegt, die Richtung des Probenstrahls 10 abzuändern. Das von den Objektpunkten 11 des Objektbereichs 13 jeweils reflektierte und/oder gestreute Streulicht 18 wird dann in ein distales Ende 9 einer Detektorfaser 19 eingekoppelt und an einem proximalen Ende 7 der Detektorfaser 19 wieder ausgekoppelt und einem Detektor 20 zugeführt. Der Detektor 20 erfasst die Signale des an dem jeweiligen Objektpunkt 11 reflektierten und/oder gestreuten Streulichts 18. Die erfassten Signale werden sodann von einer Rechnereinheit 21 zu einem Bild zusammengesetzt und auf einer Anzeigeeinrichtung 22 dargestellt. Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsform ist das optische Element 15 zwischen zwei Zuständen schaltbar. Abhängig von der Polarisation des auf das Umlenkprisma 16 treffenden Lichts lenkt das Umlenkprisma 16 das auftreffende Licht um einen Umlenkwinkel α, vorliegend 90°, um oder lässt dieses durch, ohne dieses umzulenken, wie in der 2 durch den gestrichelt dargestellten Strahlengang 23 angedeutet ist. Für diesen Schaltvorgang ist zwischen dem Wellenfrontmanipulator 4 und dem proximalen Ende 7 der Beleuchtungsfaser 8 ein Schaltelement 24 angeordnet, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als ein Polarisator 25 gebildet ist.
In einer weiteren Ausführungsform, die in der Detailansicht der 3 gezeigt ist, ist das optische Element 15 als ein die Richtung des Probenstrahls 10 umkehrendes Doppelprisma 26 ausgebildet. Dieses ist dabei so eingerichtet, dass der aus der Probenfaser ausgekoppelte Probenstrahl 10 um 180° umgelenkt wird. Hierdurch ist es möglich, mit dem Probenstrahl 10 einen Objektbereich 13 zu bestrahlen, der sich hinter dem distalen Ende 9 der Beleuchtungsfaser 8 befindet, wie dies in der 3 angedeutet ist. So kann hiermit beispielsweise die Rückseite einer anatomischen Struktur beleuchtet und auch bildlich erfasst werden, durch die die Beleuchtungsvorrichtung 2 beziehungsweise das Faserendoskop 1 geführt wird.
In einer weiteren Ausführungsform, die in der 4 dargestellt ist, ist das optische Element 15 als das distale Ende 9 der Beleuchtungsfaser 8 selbst gebildet. Hierzu ist das distale Ende 9 der Beleuchtungsfaser 8 speziell angeschliffen, wodurch es ebenfalls möglich ist, den Probenstrahl 10 umzulenken. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils um 90° bezogen auf die Längsachse 17 der Beleuchtungsfaser 8.
In einer weiteren Ausführungsform, die in der 5 dargestellt ist, ist das optische Element 15 als eine optische Linse 27, genauer als eine Fisheye-Linse 28 gebildet. Hierdurch wird das Sichtfeld vergrößert, und zwar auf mehr als 180°, wie in der 5 angedeutet.
Die in der 6 dargestellte Ausführungsform der optischen Linse 27 stell ein Axicon 29 dar, also letztlich eine speziell geformte Linse, die einen punktförmigen Probenstrahl 10 in einen ringförmigen Strahl überführt. Außerdem werden hierbei anstelle von Gauß-Strahlen nun Bressel-Strahlen erzeugt, so dass die ringförmige Lichtverteilung entlang der optischen Achse des Beleuchtungsstrahls über einen gewissen Bereich lateral konstant ist, da die Bessel-Strahlen letztlich keine Beugungseffekte zeigen.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens S 100 zum Ermitteln einer Übertragungseigenschaft einer Beleuchtungsfaser 8, die als Multimodefaser ausgebildet ist, und eines ihrem distalen Ende 9 zugeordneten optischen Elements 15. Das optische Element 15 ist dabei eingerichtet, eine Eigenschaft des Probenstrahls 10 zu modifizieren. In einem ersten Schritt S101 des Verfahrens erfolgt ein Einkoppeln eines Lichtsignals in ein proximales Ende 7 der Beleuchtungsfaser 8. Das Lichtsignal kann dabei von einer Lichtquelle 3, beispielsweise einem RGB-Laser erzeugt und von einem Wellenfrontmanipulator 4 vorgeformt werden. In einem weiteren Schritt S102 erfolgt das Einstellen einer Fokusebene des Lichtsignals auf eine Referenzmaske, die in einem vorgegebenen Abstand zu dem optischen Element 15 angeordnet ist. Die Fokusebene des Lichtsignals wird dabei durch den Wellenfrontmanipulator 4 eingestellt. In einem weiteren Schritt S103 des Verfahrens erfolgt das Erfassen eines Streulichts 18 der Referenzmaske, das aus dem proximalen Ende 7 der Beleuchtungsfaser 8 ausgekoppelt und von einem Detektor 20 erfasst wird. Die Referenzmaske ist bevorzugt derart ausgebildet, dass die in der Fokusebene des Probenstrahls 10 befindliche Referenzmaske einen vorbestimmten Einfluss auf das Streulicht 18 aufweist. Das erfasste Streulicht 18 der Referenzmaske entspricht somit einer bekannten Referenz und weist ein vorbekanntes Muster auf. In einem weiteren Schritt S104 des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung erfolgt das Ermitteln der Übertragungseigenschaft der Beleuchtungsfaser 8 und des ihrem distalen Ende 9 zugeordneten optischen Elements 15 anhand eines Vergleichs des ausgekoppelten Streulichts 18 der Referenzmaske mit einem erwarteten Streulicht 18 der Referenzmaske, wobei hier das optische Element 15 mit berücksichtigt wird. Anhand der damit ermittelten Abweichungen zwischen dem erfassten Streulicht 18 und dem erwarteten/erwartbaren Streulicht 18 der Referenzmaske lassen sich somit Rückschlüsse auf die aktuellen Übertragungseigenschaften (eine aktuelle Übertragungsmatrix) der Beleuchtungsfaser 8 und des optischen Elements 15 ziehen.
Bezugszeichenliste

1: Faserendoskop
2: Beleuchtungsvorrichtung
3: Lichtquelle
4: Wellenfrontmanipulator
5: Mikrospiegelaktor
6: Steuergerät
7: proximales Ende
8: Beleuchtungsfaser
9: distales Ende
10: Probenstrahl
11: Objektpunkt
12: Untersuchungsgegenstand
13: Objektbereich
14: Auge
15: Optisches Element
16: Umlenkprisma
17: Längsachse
18: Streulicht
19: Detektorfaser
20: Detektor
21: Rechnereinheit
22: Anzeigeeinrichtung
23: unabgelenkter Probenstahl
24: Schaltelement
25: Polarisator
26: Doppelprisma
27: optische Linse
28: Fisheye
29: Axicon
α: Umlenkwinkel
S 100-S 104: Verfahren und Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016193718 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Leite, Ivo T., et al. „Observing distant objects with a multimode fiber-based holo-graphic endoscope.“ APL Photonics 6.3 (2021):036112 (DOI:10.1063/5.0038367) [0005]

Claims

Beleuchtungsvorrichtung (2) mit mindestens einem Wellenfrontmanipulator (4), der zur Erzeugung eines Probenstrahls (10) eingerichtet ist, eine Wellenfront des Lichts einer Lichtquelle (3) derartig vorzuformen, dass das vorgeformte Licht im Wesentlichen in einem Objektbereich (13) fokussierbar ist, und mit einer Beleuchtungsfaser (8) zum Zuführen des vorgeformten Probenstrahls (10) zu dem Objektbereich (13), wobei einem distalen Ende (9) der Beleuchtungsfaser (8) ein optisches Element (15) zugeordnet ist, das eingerichtet ist, eine Eigenschaft des Probenstrahls (10) zu modifizieren.
Beleuchtungsvorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das dem distalen Ende (9) der Beleuchtungsfaser (8) zugeordnete optische Element (15) veränderbare Eigenschaft des Probenstrahls ausgewählt ist aus einer Gruppe, die eine Richtung des Probenstrahls, eine Form und Größe der Fokussierung des Probenstrahls auf dem Objektbereich (13) und die Größe des Objektbereichs (13) umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optische Element (15) ausgewählt aus einer Gruppe, die ein den Probenstrahl ablenkendes Umlenkprisma (16), ein den Probenstrahl ablenkendes Doppelprisma (26), eine optische Linse (27), sowie ein speziell bearbeitets distales Ende (9) der Beleuchtungsfaser (8) umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Linse (27) als eine Fisheye Linse (28) oder als ein Axicon (29) ausgebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (15) schaltbar ist.
Beleuchtungsvorrichtung (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schalten des optischen Elements (15) ein Schaltelement (24) vorgesehen ist.
Beleuchtungsvorrichtung (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (24) zwischen dem Wellenfrontmanipulator (4) und dem proximalen Ende (7) der Beleuchtungsfaser (8) angeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (4) zweifach vorgesehen ist.
Faserendoskop (1) mit einer Beleuchtungsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Wellenfrontmanipulator (4) ferner eingerichtet ist, die Wellenfront derartig vorzuformen, dass der Probenstrahl auf eine Vielzahl von Objektpunkten (11) des Objektbereichs (13) rasternd ablenkbar ist, sowie mit mindestens einer Detektorfaser (19) zum Zuleiten von an dem jeweiligen Objektpunkt (11) des Objektbereichs (13) gestreuten und/oder reflektierten Streulicht (18) zu einem Detektor.
Verfahren (S100) zum Ermitteln einer Übertragungseigenschaft einer Beleuchtungsfaser (8) und eines dem distalen Ende (9) der Beleuchtungsfaser (8) zugeordneten optischen Elements (15), das eingerichtet ist, eine Eigenschaft des Probenstrahls zu modifizieren, umfassen die Schritte: a) Einkoppeln eines Lichtsignals in ein proximales Ende (7) der Beleuchtungsfaser (8) (S101); b) Einstellen einer Fokusebene des Lichtsignals auf eine Referenzmaske (S102); c) Erfassen eines aus dem proximalen Ende (7) der Beleuchtungsfaser (8) ausgekoppelten Streulichts (18) der Referenzmaske (S103); und d) Ermitteln der Übertragungseigenschaft der Beleuchtungsfaser (8) und des ihrem distalen Ende (9) zugeordneten optischen Elements (15) anhand des ausgekoppelten Streulichts (18) der Referenzmaske und anhand einer Information zu einer vorbekannten Eigenschaft der Referenzmaske (S104).