DE102004020663A1

DE102004020663A1 - Einrichtung zur Beleuchtung organischer Objekte

Info

Publication number: DE102004020663A1
Application number: DE102004020663A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Dick; Thomas Dr. Mohr
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2004-04-24
Filing date: 2004-04-24
Publication date: 2005-11-10
Also published as: US7766481B2; US20080019127A1; WO2005102148A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Beleuchtung organischer Objekte, insbesondere des Auges. Sie ist bevorzugt einsetzbar in einem Ophtalmologischen Diagnose- oder Therapiegerät. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird ein Array von miniaturisierten Lichtquellen räumlich definiert geordnet derart auf einer Ebene oder gekrümmten Fläche zusammengestellt, dass diese Lichtquellen eine möglichst hohe Packungsdichte erreichen und einzeln sehr schnell elektronisch ansteuerbar sind. DOLLAR A Dieses Lichtquellenarray wird mittels eines optischen Systems auf das biologische Objekt abgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Beleuchtung organischer Objekte, insbesondere des Auges. Sie ist bevorzugt einsetzbar in einem Ophthalmologisches Diagnose- oder Therapiegerät.
In der Augenheilkunde wird sowohl bei der Diagnose als auch bei der Therapie häufig mit Licht gearbeitet. Dieses bietet sich insbesondere deswegen an, da das Auge weitgehend transparent ist und damit praktisch in seiner Gesamtheit für Lichtstrahlen erreichbar ist. Als Licht wird im Folgenden das gesamte Spektrum von Ultraviolett bis Infrarot bezeichnet.
Als Diagnosegeräte, welche mit Licht arbeiten, sind insbesondere sogenannte Spaltlampen, Funduskameras und Laser-Scan-Ophthalmoskope bekannt.
Bei einer Spaltlampe wird mittels einer Spaltbildprojektion in dem zu untersuchenden Auge ein veränderlicher Lichtschnitt erzeugt, aus der Form, Lage und Intensität des Streulichtes des Schnittbildes können Rückschlüsse auf den Zustand der einzelnen Medien des Auges gezogen werden. Üblicherweise werden die Spaltbilder mechanisch mittels in der Breite und Lage veränderlicher Spalte erzeugt. Aus der DE 101 51 314 , auf deren gesamte Offenbarung hiermit Bezug genommen wird, ist es auch bekannt, den Lichtschnitt durch eine entsprechende Lichtverteilung mittels eines aus DMDs (Digital Mirror Device), LEDs (Light Emitting Diode), LCDs (Liquid Crystal Display) oder OLEDs (Organic Light Emitting Diodes) aufgebauten Microdisplays zu erzeugen. Allen diesen Lichtquellen ist gemeinsam, dass sie nur eine relativ geringe Bildfrequenz erlauben, da sie entweder über mechanisch bewegte Teile (DMD) oder eine lange Nachleuchtdauer aufweisen.
Bei einer Funduskamera, wie z.B. aus DE 298 08 351 U1 bekannt ist, wird der Augenhintergrund mit einer klassischen Lichtquelle wie einer Halogen- oder Quecksilberdampflampe ausgeleuchtet und anschließend fotografische oder digitale Aufnehmen der Retina erzeugt. Dabei ist es auch bekannt, diese Aufnahmen nur in bestimmten Spektralgebieten anzufertigen, um die mittels entsprechender Beleuchtung erzeugte Fluoreszenz interessierender Moleküle nachzuweisen. Zu besonderen Zwecken werden auch Blitzlichtaufnahmen durchgeführt, um schnell ablaufende Vorgänge erkennen zu können. Dafür sind zusätzliche Blitzlampen notwendig, die über entsprechende zusätzliche Optiken in den Strahlengang eingekoppelt werden müssen. Auch sind diese Blitzlichtlampen in ihrer Bildfolgefrequenz limitiert.
Bei einem Laser-Scan-Ophthalmoskop, wie es beispielsweise aus der DE 198 35 967 C2 bekannt ist, wird das Augeninnere mittels eines von einem mechanischen Scanner in 2 oder 3 Dimensionen positionierten Laserstrahl abgetastet und auftretende Fluoreszenzen detektiert. Wegen der mechanischen Bewegung der Scanner ist hier die Bildaufnahmefrequenz begrenzt, so dass schnelle Vorgänge nicht verfolgt werden können, außerdem kommt es wegen der unwillkürlichen Augenbewegungen zu geometrischen Störungen im Inhalt des Ergebnisbildes. Mit Licht arbeitende Therapiegeräte sind in der Augenheilkunde ebenfalls bekannt. So wird zur Behandlung von Sehfehlern mittels Laserstrahlung gezielt Material aus der Cornea abgetragen, Ein solches Gerät ist z.B. in der WO 01/66029 beschrieben, auf deren kompletten Inhalt hiermit Bezug genommen wird. Dabei wird der Strahl eines Behandlungslasers mittels eines mechanischen Scanners, welcher über bewegte Spiegel verfügt, gezielt über das Behandlungsgebiet geführt. Auch hier ist die Mechanik des Scanners der limitierende Faktor für die Erhöhung der Behandlungsgeschwindigkeit und damit der Verringerung der Behandlungszeit.
Die während der Behandlung auftretenden unwillkürlichen Augenbewegungen führen dazu, dass es zu Abweichungen zwischen dem vorgesehenen und dem tatsächlichen Ort des Materialabtrags kommt. Um die daraus resultierenden Fehler zu vermeiden wird in dieser Schrift ein Eye-Tracker eingesetzt, welcher die momentane Position/Blickrichtung des Auges detektiert und damit diese Bewegungen erkennen kann. Diese Bewegungen werden dann bei der Steuerung des Materialabtrags berücksichtigt und damit ausgeglichen.
In der US 6,179,422, auf deren gesamten Inhalt hiermit verwiesen wird, ist ein solcher Eye-Tracker beschrieben, welcher seinerseits mittels eines solchen Scanners einen IR-Laserstrahl schnell über Pupille und Limbus des Auges führt. Die reflektierte Strahlung wird mittels einer schnellen Photodiode detektiert und aus den Verschiebungen der Kontrastflanken von Pupille und Limbus zwischen den einzelnen Abtastungen lässt sich die Bewegung des Auges bestimmen. Auch diese Lösung ist durch die Geschwindigkeit des mechanischen Scanners in ihrer Genauigkeit limitiert.
Auch bei anderen Verfahren zur Untersuchung biologischer Objekte wie z.B. der konfokalen Mikroskopie ist die Erfindung anwendbar.
Aus der EP 485 803 B1 , auf deren gesamten Inhalt hiermit Bezug genommen wird, ist ein konfokales Mikroskop bekannt, welches zur Beleuchtung der Probe ein LED- oder ein LCD-Array benutzt und das von der Probe beeinflusste Licht mittels eines Detektorarrays analysiert. Dieses Mikroskop ist damit nicht zur Untersuchung schneller Vorgänge geeignet. Auch die z.B. aus der DE 197 33 195 A1 bekannten Laser Scanning Mikroskope benutzen zur Ab lenkung des zur Beleuchtung der Probe dienenden Laserstrahlen mechanische Scanner und sind deshalb ebenfalls nicht zur Untersuchung sehr schneller Vorgänge geeignet. Gerade in den letzten Jahren ist aber das Interesse an der Untersuchung der extrem schnell ablaufenden molekularen Wechselwirkungen in der Biologie wesentlich gestiegen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu umgehen und eine extrem schnell veränderliche Beleuchtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die unabhängigen Ansprüche gelöst, vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird ein Array von miniaturisierten Lichtquellen räumlich definiert geordnet derart auf einer Ebene oder gekrümmten Fläche zusammengestellt, dass diese Lichtquellen eine möglichst hohe Packungsdichte erreichen und einzeln sehr schnell elektronisch ansteuerbar sind. Dabei kann die Anordnung der einzelnen Lichtquellen sowohl regelmäßig, z.B. als dicht gepacktes Rechteck, als auch in beliebigen anderen, z.B. einer Auswertung angepassten Formen erfolgen.
Dieses Lichtquellenarray wird mittels eines optischen Systems auf das biologische Objekt abgebildet.
Im Falle einer Diagnose-Vorrichtung oder eines Mikroskopes besteht die erfindungsgemäße Einrichtung weiterhin aus einem Detektor, der die reflektierten, gestreuten oder fluoreszierenden Strahlungsanteile des Diagnoseobjektes registriert und einer Auswerteeinheit zuführt, wobei dieser Detektor selbst ggf. auch wellenlängenselektiv detektieren kann.
Der Vorteil der Erfindung ist, dass ohne bewegte Teile sehr schnell und spektral variabel eine räumlich hochaufgelöste strukturierte Beleuchtung realisierbar ist. Bei einem Eye-Tracker kann mittels schneller Einzeldetektoren nahezu online die Augenposition bestimmt werden, da die räumliche Auflösung bereits durch das abgebildete Lichtquellenarray gegeben, die Benutzung von bildverarbeitenden CCD-Sensoren ist nicht notwendig.
Wenn die durch die räumliche Anordnung der Lichtquellen gegebene Auflösung nicht ausreicht, kann diese in der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch eine verkleinernde Abbildung auf das Objekt angepasst werden. Bei einer Diagnosevorrichtung ist es vorteilhaft, die Beleuchtungseinrichtung z.B. über ein homogenes Objekt zu kalibrieren. Bei einer Therapievorrichtung ist es von Vorteil wenn die abgegebene Strahhlung durch eine homogenisierende Zwischenoptik (z.B. auf der Basis mikrooptischer Elemente) homogenisiert wird.
Durch die Möglichkeit der räumlich strukturierten Intensitätswahl und Farb/Wellenlängenwahl der einzelnen Lichtquellen, lassen sich zeitlich und spektral variable Intensitätsprofile generieren, die den jeweiligen Anwendungsaufgaben angepasst sind.
Es ist von Vorteil, wenn die Einrichtung zur Beleuchtung ein miniaturisiertes Lichtquellenarray aus kompakten lichtemittierenden Halbleiterdioden oder Halbleiterdiodenlasern möglichst geringer Emissionsdivergenz und schnellen Schaltzeiten besteht, deren Emissionsintensität elektronisch regelbar ist Eine besonders geeignete Bauform der Lichtquellen stellen die Vertical Cavitiy Surface Emitting Laser (VCSEL) dar, welche z.B. aus der Literatur K.J. Ebeling „Integrierte Optoelektronik", Springer-Verlag Berlin 1992, bekannt sind. Beispielsweise wird in der EP 905 835 A1 ein zweidimensionales Array aus VCSEL-Lichtquellen beschrieben, welche einzeln adressierbar oder ansteuerbar sind. In der US 6,174,749 ist ein Herstellverfahren für in verschiedenen Wellenlängen/Farben abstrahlende VCSELs angegeben, aus der Literatur Connie J. Chag-Hasnain „Tunable VCSEL", IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics Vol. 6(2000) Nr. 6, S. 978 ff. sind auch durchstimmbare VCSELs bekannt.
Zur Steigerung der Homogenität oder Struktur der Objektbeleuchtung können die Emissionsprofile der einzelnen Strahlquellen entsprechend ausgewählt sein, um in der projezierten Überlappung ein möglichst gleichförmiges/strukturiertes Intensitätsprofil zu erzielen. Dabei sind gaußförmige Intensitätsprofle günstig für eine homogene Ausleuchtung. Zur Erhöhung des Auflösungsvermögens der erfindungsgemäßen Einrichtung kann eine zeitliche und/oder intensitätsabhängige Modulation einzelner, z. B. benachbarter Lichtquellen des Lichtquellenarrays durchgeführt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt das Grundprinzip der Erfindung
2 zeigt die Anwendung der Erfindung als ultraschneller Scanner
3 zeigt eine multispektrale Beleuchtung
4 zeigt eine Ausführungsform eines konfokalen Detektors
In 1 ist ein Array 1 aus einzelnen Lichtquellen 2, welche z.B. VCSEL-Elemente sein können so angeordnet, dass es über eine Projektionsoptik 3 auf eine biologische Probe 4 abgebildet wird. Die einzelnen Lichtquellen 2 des Arrays 1 sind mittels eines Computers 5 ansteuerbar, wobei sie in ihrer Intensität, Farbe (Wellenlänge) und/oder Leuchtdauer gesteuert werden können. Eine hierzu notwendige Ansteuerschaltung ist hier nicht dargestellt. Das von der Probe zurückgeworfene, gestreute, anderweitig beeinflusste oder von einer Fluoreszenz der Probe ausgehende Licht wird mittels einer Abbildungsoptik 6 auf einen Detektor 7 abgebildet, welcher wiederum mit dem Computer 5 verbunden ist. Die Auswertung der vom Detektor 7 empfangenen Informationen kann dann im Computer 5 nach an sich bekannten und dem vorgesehenen Einsatzzweck angepassten Verfahren erfolgen.
In 2 wird unter Steuerung des Computers 5 auf dem Array 1 nacheinander und in ultrakurzen Zeitabständen (z.B. einige ns bis μs) eine Folge von Lichtquellen 2 ein- bzw. wieder ausgeschaltet. Durch die Projektion auf die Probe 4 wird dadurch diese Probe entsprechend schnell und ohne dass mechanische Elemente bewegt werden müssen gescannt. Von dem Detektor 7 wird das von der Probe 4 abgestrahlte Licht aufgefangen und im Computer 5 analysiert. Eine solche Ausführungsform ist z.B. als Eye-Tracker, Digitale Spaltlampe, in der Pupillometrie oder einer Scanning Funduskamera anwendbar.
Ebenfalls lässt sich ein Laser Scanning Mikroskop nach diesem Grundaufbau realisieren. In 3 ist eine Anwendung dargestellt, bei der die einzelnen Lichtquellen 2, 2', 2" des Arrays 1 unterschiedliche Wellenlängen abstrahlen. Damit lässt sich ein Wellenlängenprofil der Probe 4 detektieren, wie es z.B. auch in Scanning Funduskameras angewendet wird.
In 4 ist die Anwendung der erfindungsgemäße Vorrichtung in der konfokalen Mikroskopie gezeigt, indem der gescannte Laserstrahl durch das Lichtquellen-Array und den konfokalen Detektor durch ein Mikroslinsen-Array mit gekoppeltem CCD-Chip (analog Shack-Hartmann-Sensor) ersetzt wird. Dabei wird die aus dem x-y-LED-Array 1 emittierte Strahlung durch eine z.B. 50% Teilerspiegel (Strahlteilerwürfel 8) über eine Projektionsoptik 3 in eine Bildebene auf der Retina 9 eines Auges 10 projeziert. Das dort entstehende Raster sekundärer Lichtquellen wird wiederum über den Teilerspiegel (Strahlteilerwürfel 8) auf ein Sensor-Array 11 z.B. mit Mikrolinsen 12 und elektronischer Auswertung projeziert. Dabei nimmt das Sensorarray die Funktion des konventionellen Detektors mit Lochblende in einer vervielfachten Arrayausführung wahr. Eine 1. Ausführungsform des Sensor-Arrays 1 kann ein der räumlichen Struktur des LED-Arrays angepasstes Mikrolinsen-Array in Kopplung mit einem CCD-Chip sein. Dabei übernimmt jede einzelne Miniaturlinse des Mikrolinsenarrays die Funktion der Abbildungsoptik 6. Die Blendenfunktion des konventionellen Detektors mit Lochblende wird dadurch realisiert, dass z.B. bezüglich der reflektierten Intensität nur das jeweils mittig zur jeweils vorgeschalteten Mikrolinse liegende Pixel des Sensorrrays 11 auswertet, und die anderen nicht detektiert. Dabei können jedoch die jeweils außermittigen Pixel benutzt werden um den durch die Struktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgegebene Rasterung zu glätten.
Eine 2. Ausführungsform kann auch eine Lochmaske und zugehörige einzelne Empfangsdioden verwenden, wobei hier wiederum die Struktur und Rasterung durch das Lichtquellenarray 1 zu beachten ist.
Jede dieser Anordnungen kann auch in Verbindung mit einem Mikroskop zur Untersuchung biologischer Präparate genutzt werden. Ausserdem lässt sich mit dieser Anordung und entsprechenden Auswertealgorithmen auch ein Wellenfrontsensor nach Hartmann-Shack realisieren.
Dieses neuartige konfokale Scanning-Mikroskop lässt sich in einer sehr kompakten und robusten Bauform ohne bewegliche Teile ausführen und daher in der beispielsweisen Anwendung am Auge mit geringerem Aufwand als bisher einsetzen. Dabei kann man sich die scannende Funktion dadurch verdeutlichen, dass man nacheinander benachbarte LED's ein- und ausschaltet und somit zeitlich entsprechend des konventionellen Prinzips scanned. Allerdings ist diese Nachahmung nicht unbedingt mehr nötig, wenn das Sensor Array 11 eine entsprechend hohe Auswertekapazität besitzt, indem die Lichtquellen 2 alle gleichzeitig eingeschaltet werden und die Empfangssignale gleichzeitig ausgewertet werden. Dabei kann die Einschaltdauer der optimalen Empfangsintensität angepasst werden. Weiterhin lassen sich durch die pulsierende Betriebsweise des Systems auch extrem schnelle dynamische Vorgänge untersuchen.
Die Realisierung der Erfindung ist nicht an die dargestellten Ausführungsbeispiele gebunden, fachmännische Weiterentwicklungen führen nicht zu einem Verlassen des Schutzbereichs. So kann jeder Lichtquelle ein unmittelbar benachbarter Detektor zum Monitoring der Intensität und/oder Farbe zugeordnet sein, wie in EP 829 933 A2 beschrieben ist.
Im Rahmen dieser Darstellung und der erfindungsgemäßen Einrichtung können unter dem Begriff einer VCSEL-Lichtquelle sämtliche Diodenlaser verstanden sein, deren Abstrahlungsrichtung senkrecht zur Fläche des Arrays oder ihrer aktiven Zone liegt. Es kann sich dabei insbesondere auch um NECSEL (Novalux extended-cavity surface-emitting Laser) handeln oder um Diodenlaser, deren Resonator im Wesentlichen parallel zur aktiven Zone liegt und die mit einer beugenden oder reflektierenden Struktur versehen sind, welche die Laserstrahlung senkrecht aus dem Array oder der aktiven Zone auskoppelt.

Claims

Einrichtung zur Beleuchtung organischer Objekte, insbesondere des Auges, welche eine steuerbare Lichtquelle und eine Abbildungsoptik aufweist, wobei die steuerbare Lichtquelle aus einer Vielzahl einzelner Lichtquellen besteht, deren Intensität und/oder Farbe mit einer Frequenz, die größer als 100 Hertz ist, geändert werden kann.
Einrichtung zur Beleuchtung organischer Substanz nach Anspruch 1, wobei die Frequenz größer als 1000 Hertz ist.
Einrichtung zur Beleuchtung organischer Substanz nach Anspruch 1, wobei die Frequenz größer als 10.000 Hertz ist.
Einrichtung zur Beleuchtung organischer Substanz nach Anspruch 1, wobei die Frequenz größer als 100.000 Hertz ist.
Einrichtung zur Beleuchtung organischer Substanz nach Anspruch 1, wobei die Frequenz größer als 1.000.000 Hertz ist.
Einrichtung zur Beleuchtung organischer Substanz nach Anspruch 1, wobei die Frequenz größer als 10.000.000 Hertz ist.
Einrichtung zur Beleuchtung organischer Substanz nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die einzelnen Lichtquellen in einem vorzugsweise regelmäßigen ein- oder zweidimensionalen Array angeordnet sind.
Einrichtung zur Beleuchtung organischer Substanz nach Anspruch 7, wobei die einzelnen Lichtquellen in einer Ebene oder einer gekrümmten Fläche angeordnet sind.
Einrichtung zur Beleuchtung organischer Substanz nach Anspruch 7 oder 8, wobei das von der organischen Substanz reflektierte, gestreute oder anderweitig beeinflusste Licht von mindestens einem Detektor aufgefangen wird.
Einrichtung zur Beleuchtung organischer Substanz nach Anspruch 9, wobei das von dem Detektor aufgefangene Licht räumlich, zeitlich und/oder spektral analysiert wird.
Einrichtung zur Beleuchtung organischer Substanz nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Lichtquellen aus lichtemittierenden Halbleiterdioden oder Halbleiterdiodenlasern bestehen, deren Intensität und/oder Farbe vorzugsweise elektronisch steuerbar ist.
Einrichtung zur Beleuchtung organischer Substanz nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei vor den Lichtquellen ein oder mehrere mikrooptischen Elemente angeordnet sind.
Einrichtung zur Beleuchtung organischer Substanz nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei mindestens einer der Lichtquellen ein Detektor zur Überwachung der Intensität und/oder Farbe der Lichtquelle zugeordnet ist.
Ophthalmologisches Diagnosegerät dadurch gekennzeichnet, dass das ophthalmologische Diagnosegerät wenigstens eine Einrichtung zur Beleuchtung organischer Objekte nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Ophthalmologisches Therapiegerät dadurch gekennzeichnet, dass das ophthalmologische Therapiegerät wenigstens eine Einrichtung zur Beleuchtung organischer Objekte nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Konfokales Mikroskop dadurch gekennzeichnet, dass das konfokale Mikroskop wenigstens eine Einrichtung zur Beleuchtung organischer Objekte nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Spaltlampe, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltlampe wenigstens eine Einrichtung zur Beleuchtung organischer Objekte nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Funduskamera, dadurch gekennzeichnet, dass die Funduskamera wenigstens eine Einrichtung zur Beleuchtung organischer Objekte nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Laserophthalmoskop, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserophthalmoskop wenigstens eine Einrichtung zur Beleuchtung organischer Objekte nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Eye-Tracker, dadurch gekennzeichnet, dass der Eye-Tracker wenigstens eine Einrichtung zur Beleuchtung organischer Objekte nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.