DE102005021808A1

DE102005021808A1 - Vorrichtung zum Ausleuchten eines Objektes

Info

Publication number: DE102005021808A1
Application number: DE200510021808
Authority: DE
Inventors: Stefan Riehemann; Martin Palme; Gunther Notni
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-05-04
Filing date: 2005-05-04
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2025-05-05
Also published as: DE102005021808B4

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Ausleuchten eines Objektes für die Aufzeichnung eines Bildes des Objektes mit einer Aufzeichnungsvorrichtung und einer Mehrzahl von ein Leuchtfeld bildenden Leuchtelementen, die einzeln oder in Gruppen ansteuerbar und in ihrer Helligkeit einstellbar sind, wobei das Leuchtfeld zur Erzielung einer adaptiven Beleuchtung als selbstleuchtendes Mikrodisplay ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausleuchten eines Objektes für die Aufzeichnung eines Bildes des Objektes nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Zur Aufnahme von Objekten mit analogen oder digitalen Kameras ist es notwendig, diese Objekte mittels einer Lichtquelle auszuleuchten. Bedingt durch die Form der Objekte und/oder deren Oberflächenbeschaffenheit und/oder deren Farbgebung kommt es bei homogener bzw. gleichförmiger Beleuchtung der Objekte vielfach zu Bereichen, die in der Aufnahme zu hell oder zu dunkel erscheinen. Im Extremfall sind in diesen Bereichen durch Über- oder Unterbelichtung keinerlei Information über das Objekt enthalten. Die Aufnahme des Objektes ist also unbrauchbar, da in diesen Bereichen auch durch nachträgliche Bildbearbeitung keine Information über das Objekt gewonnen werden kann.
Bei den meisten Bildaufzeichnungstechniken werden eine oder wenige lichtstarke Lichtquellen verwendet, die die Objektsituation passiv ausleuchten. Die Lichtquellen beleuchten hierbei die Objekte entweder direkt mittels einer Kondensoroptik oder über eine Lichtleitfaser.

Aus der DE 100 30 772 A1 ist eine Anordnung zur Beleuchtung, insbesondere Auflichtbeleuchtung bei Mikroskopen bekannt, bei der ein um die optische Achse herum orientierter Ringträger eine ringförmige Anordnung von einer Mehrzahl von Licht emittierenden Halbleiterdioden aufweist. Diese LEDs sind einzeln oder in Gruppen ansteuerbar und/oder in der Helligkeit regelbar. Je nach Beleuchtungs-Aufga-benstellung werden die LEDs einer oder mehrerer Gruppen in den Helligkeitswerten eingestellt, wobei auch einzelne Segmente nacheinander durch eine abgestimmte Steuerung dynamisch betrieben werden können, so dass sich bewegende oder rotierende Lichtquellen bilden. Die Steuerung ist durch den Experimentator betätigbar bzw. auslösbar.

Aus der US 6 552 495 B1 ist ein adaptives Steuersystem für rot, grün und blau emittierende Dioden bekannt, bei dem ein Sensor eine von der Mehrzahl von LEDs erzeugten Lichtfarbe erfasst und die Farbkoordinaten bestimmt werden. Durch Änderung der Farbkoordinaten kann eine gewünschte Lichtfarbe angepasst werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ausleuchtung eines Objektes zu schaffen, bei der eine lokal zugeordnete Helligkeit und/oder Farbadaption der Lichtquellen an das aufzunehmende Objekt möglich ist, wobei aufwendige und komplexe Systeme vermieden werden sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, dass das Objekt mit einem eine Mehrzahl von Leuchtelementen aufweisenden Leuchtfeld beleuchtet wird, das als selbstleuchtendes Mikrosidsplay ausgebildet ist, ist es möglich, durch die Abbildung des räumlich in der Intensität modulierbaren selbstleuchtenden Mikrodisplays auf das aufzuzeichnende Objekt die Intensität der Beleuchtung auf dem Objekt lokal in der Intensität anzupassen.

Aufgrund der hohen Anzahl von Pixeln des Mikrodisplays ist eine direkte Korrelation zwischen Kamerapixel und Beleuchtungspixel möglich, so dass eine pixelgenaue Adaption der Beleuchtung durchgeführt werden kann.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Vorzugsweise ist das selbstleuchtende Leuchtfeld oder Display so anzuordnen, dass es sich in oder nahe bei der Objektebene eines Projektionsobjektivs oder eines Endoskops befindet. In der Bildebene des Projektionsobjektivs oder des Endoskops ist das aufzunehmende Objekt zu platzieren. Durch die Abbildung des Displays auf das Objekt kann jedem Displaypixel exakt ein eindeutiger Ort auf dem Objekt zugeordnet werden, den dieser ausleuchtet. Eine bewusste Defokussierung der Abbildung führt zu einer Unschärfe und Überlap pung der einzelnen Pixel. Somit kann durch Variation dieses Displaypixels oder Leuchtelementes die Beleuchtungsstärke und -farbe auf diesem eindeutigen Objektort geändert werden.

Durch Veränderung der Helligkeit und der Farbe aller räumlich zueinander angeordneten Pixel oder Leuchtelemente des Leuchtfeldes kann somit die Ausleuchtung des gesamten Objektes geändert werden.

Durch Vorsehen einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung, die abhängig von dem aufgezeichneten Bild des Objektes die Helligkeit bzw. Intensität der Elemente steuert/regelt, wird ein adaptives Beleuchtungssystem zur Verfügung gestellt, bei dem eine direkte und lokale Zuordnung einzelner Objektbereiche zu einzelnen Pixeln bzw. Leuchtelementen des Leuchtfeldes vorgenommen werden können. Durch die Rückkopplung mit den erfassten Informationen des Bild gebenden Systems, z. B. mit einem PC mit Hardware zur Bilddigitalisierung und einer entsprechenden Software, kann somit eine optimale, d. h. an allen Bildorten weder über- noch untersteuerte Bildhelligkeit eingestellt werden.

Es ergeben sich zu den bekannten Beleuchtungsbaugruppen für die Bildaufzeichnung durch das erfindungsgemäße adaptive Beleuchtungssystem folgende Vorteile: Farbleuchtfelder ermöglichen die gezielte Verwendung definierter Wellenlängen und einer Adaption der sich aus der Mischung verschiedener Wellenlängen ergebenden Farbe der Beleuchtung. Diese Adaption geschieht auch pixelweise und somit räumlich moduliert.

Fehlbelichtungen und/oder falsche Widergabe von Farben werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur adaptiven Beleuchtung vermieden, wodurch Bildaufnahmezeiten signifikant verkürzt werden können und bestimmte Bildaufnahmen, z. B. in der Endoskopie erst ermöglicht werden.

Der optische Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht nur noch aus dem selbstleuchtenden Mikrodisplay und einer Abbildungsoptik und ist somit sehr stabil und störunempfindlich. Derartige selbstleuchtende Displays weisen eine lange Lebensdauer und einen niedrigen Energiebedarf auf, wodurch die Betriebskosten niedrig sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen
1 eine schematische Abbildung des Aufbaus eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Strahlengängen und
2 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Strahlengängen.
In 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Realisierung einer Bildaufzeichnung eines Objektes 1 dargestellt. Das Objekt 1 wird von einem Leuchtfeld 2 beleuchtet, das als Mikrodisplay ausgebildet ist und aus einer Vielzahl von Pixel darstellenden Leuchtdioden 3 zusammengesetzt ist. Vorzugsweise kommen dabei organische Leuchtdioden, sogenannte OLEDs zum Ein satz, die einen niedrigen Energiebedarf aufweisen. Grundsätzlich kann jede Art von punktförmigen Lichtquellen, die einzeln oder in Gruppen ansteuerbar sind, verwendet werden, aufgrund der kleinen Bauweise sind die OLEDs vorteilhaft. Das Leuchtfeld 2 kann jede beliebige Form aufweisen, es kann auch in seiner Form an das Objekt 1 angepasst sein, wobei es auch dreidimensional sein kann.
Zwischen Leuchtfeld 2 und Objekt 1 ist eine Abbildungsoptik 4 angeordnet, die schematisch durch die Linse angedeutet ist. Dabei sind das Leuchtfeld 2 in Bezug auf die Abbildungsoptik 4 und das Objekt 1 in Bezug auf die Abbildungsoptik 4 derart angeordnet, dass sich das Leuchtfeld 2 in oder nahe bei der Objektebene und das Objekt 1 in der Bildebene der Abbildungsoptik befinden. Die Abbildungsoptik 4 kann als Projektionsobjektiv oder als Endoskop oder dergleichen ausgebildet sein. Die Abbildung des Leuchtfeldes 2 auf die Objekte ist schematisch durch die Punkte 2' dargestellt.
Zur Aufzeichnung des Objektes 1 ist eine Aufzeichnungsvorrichtung 5 vorgesehen, die beispielsweise als CCD- oder CMOS-Kamera ausgebildet sein kann. Zwischen Objekt 1 und Kamera 5 ist eine weitere durch eine Linse dargestellte Abbildungsoptik 6 vorgesehen, die gleichfalls Objektive oder Endoskope umfassen kann.
Das Objekt 1 wird zusammen mit dem auf ihm abgebildeten Leuchtfeld 2 von der Kamera 5 aufgezeichnet, wobei in der Figur die Hauptstrahlen der Abbildung für die Bildgebung aufgezeichnet sind. Die Kamera 5 ist mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung 8 verbunden, die das aufgezeichnete Bild hinsichtlich der Qualität und der Helligkeit analysiert und eine Zu ordnung der Bildpunkte des aufgezeichneten Bildes zu den Leuchtelementen 3 des Leuchtfeldes 2 vornimmt. Abhängig von der Bewertung des aufgezeichneten Bildes steuert bzw. regelt die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 8 die Leuchtelemente 3 einzeln oder in Gruppen an, um ihre Intensität bzw. ihren Lichtstrom einzustellen. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann als PC mit Hardware und entsprechender Software zur Bilddigitalisierung und Bewertung ausgebildet sein.
Die Leuchtelemente 3 können sowohl in weißem Licht abstrahlen oder Licht in selektiven Wellenlängenbereichen. Dabei können die Leuchtdioden selbst farbig abstrahlen oder mit einem Filter versehen sein. Entsprechend der Steuerung bzw. Regelung der Intensität der einzelnen Leuchtelemente kann auch die Farbe gesteuert bzw. geregelt werden. Jedes Leuchtelement bzw. Pixel hat eine definierte Farbe, die nicht geändert werden kann. Durch Ändern der Intensitätsverhältnisse von Pixeln unterschiedlicher Farbe zueinander, ändert sich abgestrahlte Farbe des Lichtes des Leuchtfeldes und/oder von Bereichen des Leuchtfeldes.
Durch die lokale Anpassung der Farbe der Beleuchtung auf dem Objekt können lokale Farbverfälschungen durch unterschiedliche Objektbeschaffenheit hinsichtlich seiner Form, Oberflächenreflektivität oder Farbgebung vermieden werden. Beispielsweise kommt es im Falle, dass auf einem Objekt matte und hochglänzende Bereiche identischer Farbe nebeneinander liegen und diese abgebildet werden sollen, bei homogener Beleuchtung zu Farbverfälschungen durch das unterschiedliche winkelabhängige Reflexionsvermögen dieser Bereiche.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, das insbe sondere für die Endoskopie geeignet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die koaxial zusammen mit dem Abbildungsstrahlengang des Bildaufzeichnungssystems realisiert, Dabei wird wiederum das aus mehreren Pixeln bzw. Leuchtelementen 3 bestehende Leuchtfeld 2 bzw. Mikrodisplay auf das Objekt 1 abgebildet, wobei 2' wiederum die Bildebene der Beleuchtung darstellt. Die Abbildungsoptik für das Leuchtfeld besteht aus zwei Teilen, dem ersten Teil, der mit 9 bezeichnet ist und zwischen dem Leuchtfeld 3 und einem Strahlteiler 10 liegt und einem zweiten Teil 11, der gemeinsam für die Abbildungsoptik für Beleuchtung und Bildgebung ist. Dieser Teil liegt zwischen dem Strahlteiler 10 und dem Objekt 1. Schließlich ist noch der erste Teil 12 der Abbildungsoptik für die Bildgebung vorgesehen, der zwischen Strahlteiler 10 und Kamera 5 liegt. Der gemeinsame Teil der Abbildungsoptik 11 ist im Ausführungsbeispiel als Endoskopoptik ausgebildet. Wie in der Figur angedeutet, ist eine gezielte Defokussierung des Leuchtfeldes 2 durch die Verschiebung desselben längs der optischen Achse in Bezug auf den ersten Teil 9 der Abbildungsoptik für die Beleuchtung möglich.
Wie in der 1 ist ein Rückkopplungskreis zwischen Kamera 5 und Leuchtfeld 2 gegeben, der die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 8 umfasst.

Claims

Vorrichtung zum Ausleuchten eines Objektes für die Aufzeichnung eines Bildes des Objektes mit einer Aufzeichnungsvorrichtung und einer Mehrzahl von ein Leuchtfeld bildenden Leuchtelemente, die einzeln oder in Gruppen ansteuerbar und in ihrer Helligkeit einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtfeld zur Erzielung einer adaptiven Beleuchtung als selbstleuchtendes Mikrodisplay ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrodisplay aus Leuchtdioden, insbesondere organische Leuchtdioden besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Abbildungsoptik (4, 9, 11) zwischen Leuchtfeld und Objekt angeordnet ist, die das Bild des Leuchtfeldes (2) auf das Objekt abbildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Abbildungsoptik (6, 11, 12) zwischen Objekt (1) und Aufzeichnungsvorrichtung (5) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Abbildungsoptik als Projektionsoptik und/oder als Endoskop ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Abbildungsoptik gemeinsame Bestandteile (11, 10) verwenden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtfeld (2) für eine fokussierte Abbildung oder für eine bewusst defokussierte Abbildung exakt oder gering außerhalb der Objektebene der Projektionsoptik und/oder des Endoskops angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtelemente (3) des Leuchtfeldes (2) verschiedene Farben aufweisen und dass die Farbe des Leuchtfeldes oder von Teilen davon durch Ändern der Intensitätsverhältnisse der Leuchtelemente (3) verschiedener Farben untereinander einstellbar ist
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen ist, die abhängig von dem aufgezeichneten Bild des Objektes die Helligkeit der Leuchtelemente (3) und/oder die Farbe des Leuchtfeldes (2) steuert/regelt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung mit der Aufzeichnungsvorrichtung (5) verbunden ist und eine Vorrichtung zur örtlichen Zuordnung der Bildpunkte des aufgezeichneten Bildes des Objektes zu den Leuchtelementen (3) des Leuchtfeldes (2) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Re geleinrichtung (8) eine Bewertungsvorrichtung umfasst, die die Helligkeit und/oder die Farbe der Bildpunkte des Bildes des aufgezeichneten Objektes in Bezug auf vorgegebene Werte bewertet und abhängig vom Bewertungsergebnis ggf. die Farbe und/oder die Helligkeit des/der dem oder den Bildpunkten zugeordneten Leuchtelementen steuert/regelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzeichnungsvorrichtung als CCD oder CMOS-Kamera ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Pixel des Mikrodisplays so gewählt ist, dass eine direkte Korrelation zwischen den Pixeln des Mikrodisplays und den Pixeln der als Kamera ausgebildeten Aufzeichnungsvorrichtung gegeben ist.