DE102009005839A1

DE102009005839A1 - Lichtquelle für ein optisches Beobachtungsgerät

Info

Publication number: DE102009005839A1
Application number: DE102009005839A
Authority: DE
Inventors: Artur HÖGELE
Original assignee: Carl Zeiss Surgical GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2010-07-22

Abstract

Es wird eine Lichtquelle zur Verfügung gestellt mit: - einer Anzahl von in einem Halbleiterlichtquellenfeld (1, 25, 37) angeordneten, jeweils eine Leuchtfläche (15) definierenden Halbleiterlichtquellen (3), - einem Lichtwellenleiter (11) mit einem Eingangsende (23) und einem Ausgangsende (24), - einer zwischen dem Halbleiterlichtquellenfeld (1, 25, 37) und dem Eingangsende (23) des Lichtwellenleiters (11) angeordneten Linsenkombination (5, 27), die ein Kollektorlinsenfeld (7) mit einer Anzahl von Kollektoreinzellinsen (19) sowie eine Kondensorlinse (9, 29) aufweist, wobei die Kondensorlinse (9, 29) zwischen dem Kollektorlinsenfeld (7) und dem Eingangsende (23) des Lichtwellenleiters (11) angeordnet ist und die optischen Flächen (8, 10, 20, 22, 33, 35) der Kollektoreinzellinsen (19) und der Kondensorlinse (9, 29) so in Bezug aufeinander gestaltet sind, dass die Kollektoreinzellinsen (19) des Kollektorlinsenfelds (7) zusammen mit der Kondensorlinse (9, 29) die durch die Halbleiterlichtquellen (3) definierten Leuchtflächen (15) auf das Eintrittsende (23) des Lichtwellenleiters (11) abbilden. Das Halbleiterlichtquellenfeld (1, 25, 37) umfasst wenigstens zwei Leuchtflächen (15), die mit unterschiedlichen Wellenlängen von der Linsenkombination (5, 27) überlagert auf das Eintrittsende (23) des Lichtwellenleiters (11) abgebildet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtquelle für ein optisches Beobachtungsgerät, insbesondere für ein medizinisch optisches Beobachtungsgerät wie etwa ein Operationsmikroskop oder ein Endoskop. Daneben betrifft die Erfindung ein optisches Beobachtungsgerät, insbesondere ein medizinisch-optisches Beobachtungsgerät wie etwa ein Operationsmikroskop oder ein Endoskop.
Lichtquellen für optische Beobachtungsgeräte, insbesondere solche für medizinisch-optische Beobachtungsgeräte, sollen ein Licht zur Verfügung stellen, welches einer Beobachtungsperson einen möglichst natürlichen Seheindruck vermittelt, wenn mit dem Licht eine Farbfläche beleuchtet wird. Ein Maß für die Natürlichkeit der Wiedergabe ist hierbei der Farbwiedergabeindex. Der Farbwiedergabeindex für Sonnenlicht und für das Licht einer Xenon-Hochdrucklampe beträgt ca. 100. Lichtquellen, die für einen Einsatz in einem medizinisch-optischen Beobachtungsgerät vorgesehen sind, sollen mindestens einen Farbwiedergabeindex von 90 aufweisen. Der Einsatz von Lichtquellen mit einem derart hohen Farbwiedergabeindex ist in der Medizintechnik von Bedeutung, da z. B. Ärzte anhand der Gewebefarbe verschiedene Entzündungsarten unterscheiden können. Insbesondere für den roten Spektralbereich bedeutet dies, dass dort keine spektralen Lücken auftreten dürfen. Eine kontinuierliche Spektraldichte ist daher erforderlich.
Es ist vorteilhaft, medizinische Lichtquellen aus Leuchtdioden aufzubauen. Im Vergleich zu Glühlampen oder Gasentladungslampen erzeugen Leuchtdioden erheblich weniger Wärme, so dass auf eine aufwändige Kühlung der Lichtquelle verzichtet werden kann. Eine Kühlung erfordert in der Regel Ventilatoren, die zu Vibrationen führen können, welche an das medizinisch-optische Beobachtungsgerät übertragen werden und so beim medizinisch-optischen Beobachtungsgerät eine aufwändige Schwingungsdämpfung erforderlich machen. Insgesamt ermöglicht eine auf Halbleiterlichtquellen basierende Lichtquelle für ein medizinisch-optisches Beobachtungsgerät, beispielsweise eine auf LEDs basierende Lichtquelle, nicht nur eine Vereinfachung der Kühleinrichtung für die Lichtquelle, sondern auch eine weniger aufwändige Schwingungsdämpfung am optischen Beobachtungsgerät. Durch die Überlagerung von Licht von kommerziellen weißen LEDs lässt sich jedoch nur ein Farbwiedergabeindex von ca. 70 erreichen.
Aus US 2003/0042493 A1 ist eine Festkörperlichtquelle insbesondere für Endoskope bekannt, die ein zweidimensionales Leuchtdiodenfeld als primäre Lichtquelle umfasst. Für jede Leuchtdiode ist eine Linse vorhanden, die das von der entsprechenden Leuchtdiode ausgehende divergente Strahlenbündel parallel richtet. Die einzelnen Linsen sind zu einem Linsenfeld analog dem Leuchtdiodenfeld zusammengefasst. Auf der Basis der parallelen Strahlenbündel werden dann von einer Sammellinse Bilder der Emissionsfläche der einzelnen Leuchtdioden auf die Eingangsfläche eines Lichtleiters abgebildet. Eine andere Ausführungsform der in US 2003/0042493 A1 beschriebenen Lichtquelle weist ein Leuchtdiodenfeld und eine Vielzahl von optischen Fasern auf, wobei an jede Leuchtdiode des Leuchtdiodenfeldes wenigstens eine optische Faser herangeführt ist. In dieser Ausgestaltung können verschiedenfarbige Leuchtdioden im Leuchtdiodenfeld vorhanden sein. Am Ausgang eines von den optischen Fasern gebildeten Faserbündels ist ein Mischer mit einem quadratischen oder hexagonalen Querschnitt angeordnet. An den Seitenflächen des Mischers wird das aus den einzelnen Austrittsflächen der Fasern austretende Licht reflektiert, wobei eine Mischung der einzelnen Lichtfarben herbeigeführt wird. Derartige Mischer, auch Integratorstäbe genannt, die am Austrittsende des Lichtleiters einer Lichtquelle angeordnet sind, erfordern jedoch viel Einbauraum, der beispielsweise bei einem Operationsmikroskop häufig nicht im Grundkörper zur Verfügung gestellt werden kann. Ein solcher Stab wird daher zumeist außerhalb des Grundkörpers anzuordnen sein, was sich nachteilig auf die Handhabung des Operationsmikroskops auswirken kann.
Gegenüber dem zitierten Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Lichtquelle für ein Operationsmikroskop zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe ist es, ein vorteilhaftes optisches Beobachtungsgerät, insbesondere ein vorteilhaftes medizinisch-optisches Beobachtungsgerät, zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch eine Lichtquelle nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ein optisches Beobachtungsgerät nach Anspruch 20. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Lichtquelle, die in einem optischen Beobachtungsgerät, insbesondere in einem medizinisch-optischen Beobachtungsgerät, etwa einem Operationsmikroskop oder einem Endoskop, zur Anwendung kommen kann, umfasst eine Anzahl von Halbleiterlichtquellen, die jeweils eine Leuchtfläche definieren und die in einem Halbleiterlichtquellenfeld angeordnet sind, einen Lichtwellenleiter mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende sowie eine zwischen den Halbleiterlichtquellenfeld und dem Eingangsende des Lichtwellenleiters angeordnete Linsenkombination. Als Halbleiterlichtquellen können hierbei insbesondere anorganische Leuchtdioden (LEDs) oder organische (OLEDs), aber auch Diodenlaser, VCSL (vertical cavity semiconductor laser), etc. Verwendung finden. Der Lichtwellenleiter kann grundsätzlich aus einer einzigen Faser bestehen oder aus einem Faserbündel.
Die Linsenkombination umfasst zumindest ein Kollektorlinsenfeld mit einer Anzahl von Kollektoreinzellinsen sowie eine Kondensorlinse. Die Kondensorlinse ist zwischen dem Kollektorlinsenfeld und dem Eingangsende des Lichtwellenleiters angeordnet. Die optischen Flächen der Kollektoreinzellinsen und der Kondensorlinse sind hierbei so in Bezug aufeinander ausgestaltet, dass die Kollektoreinzellinsen des Kollektorlinsenfeldes zusammen mit der Kondensorlinse die durch die Halbleiterlichtquellen definierten Leuchtflächen auf das Eintrittsende des Lichtwellenleiters abbilden.
Erfindungsgemäß umfasst das Halbleiterlichtquellenfeld wenigstens zwei Leuchtflächen, insbesondere aber wenigstens drei Leuchtflächen, die mit unterschiedlichen Wellenlängen von der Linsenkombination überlagert auf das Eintrittsende des Lichtwellenleiters abgebildet werden. Die unterschiedlichen Wellenlängen können hierbei entweder durch unterschiedliche Emissionswellenlängen der Halbleiterlichtquellen selbst erzeugt werden, oder durch den Halbleiterlichtquellen nachgeschaltete Farbfilter oder Konverterleuchtstoffe. Entsprechend kann eine Leuchtfläche durch die Licht emittierende Fläche der Halbleiterlichtquelle selbst oder, wenn die Farbfilter oder Konverterleuchtstoffe zwischen dem Halbleiterlichtquellenfeld und der Linsenkombination angeordnet sind, die leuchtende Fläche eines Farbfilters oder die leuchtende Fläche eines Konverterleuchtstoffes gegeben sein. Die Leuchtflächen können aber auch mit unterschiedlichen Wellenlängen auf das Eingangsende abgebildet werden, wenn Farbfilter oder Konverterleuchtstoffe zwischen der Linsenkombination und dem Eingangsende des Lichtwellenleiters angeordnet sind. Als Konverterleuchtstoffe sollen hierbei insbesondere sog. Fluoreszenzkonverter angesehen werden, die Licht einer ersten Wellenlänge absorbieren, wobei die Absorption die Emission von Licht mit einer zweiten, längeren Wellenlänge auslöst.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass mit einem Halbleiterlichtquellenfeld, welches verschiedenfarbige Lichtquellen umfasst und einer Linsenkombination aus einem Kollektorlinsenfeld mit einer Anzahl von Kollektoreinzellinsen, sowie einer Kondensorlinse bei Einkopplung des Lichtes in einen Lichtwellenleiter eine gute Farbmischung am Ausgangsende des Lichtwellenleiters erzielt werden kann, ohne dass am Ausgangsende ein Mischer notwendig wäre. Unter Farbmischung soll hierbei nicht ausschließlich das Mischen einer Farbe aus drei oder mehr Grundfarben zu verstehen sein, sondern auch das bloße Beimischen von Licht mit einer zweiten Wellenlänge oder Wellenlängenverteilung zu Licht mit einer ersten Wellenlänge oder Wellenlängenverteilung, wobei der Begriff Licht nicht nur Strahlung im Bereich des sichtbaren Spektrums umfassen soll, sondern auch in den angrenzenden Wellenlängenbereichen Infrarot und Ultraviolett. Unter Farbmischung soll in diesem Sinne auch das Beimischen von bspw. ultraviolettem oder infrarotem Licht zu Licht mit einer spezifischen Wellenlänge bzw. einer engen Wellenlängenverteilung (einfarbiges Licht) oder zu Licht mit einer breiten Wellenlängenverteilung (weißes Licht) zu verstehen sein.
Die räumliche Farbmischung über die Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters lässt sich durch eine hinreichend gute Abbildungsqualität der verwendeten Linsenkombination erreichen. Die Mischung über den Aperturwinkel lässt sich durch eine geeignete Anordnung der einzelnen Farben innerhalb des Halbleiterquellenfeldes erreichen, und eine gute Farbmischung über den Azimutwinkel durch die Mehrfachreflexion, die im Lichtwellenleiter stattfindet. Am Ausgangsende des Lichtwellenleiters lässt sich so ohne weitere Hilfsmittel, etwa der eingangs zitierten Integratorstäbe, durch die Lichtmischung alleine mit Hilfe der Linsenkombination und des Lichtwellenleiters weißes Licht mit einem hohen Farbwiedergabeindex, insbesondere mit einem Farbwiedergabeindex von mindestens 90 erzeugen. Ein mit diesem Licht beleuchtete farbige Fläche erscheint einem Betrachter unabhängig vom Ort und unabhängig vom Betrachtungswinkel in einem natürlichen Seheindruck. Da auf einen Integratorstab verzichtet werden kann, kann die erfindungsgemäße Lichtquelle anstelle einer einen Lichtwellenleiter umfassenden Standardlichtquelle in einem medizinisch-optischen Beobachtungsgerät zum Einsatz kommen.
Wenn im Halbleiterlichtquellenfeld Leuchtflächen vorhanden sind, die mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, können Leuchtflächengruppen gebildet sein, die jeweils alle mit derselben Wellenlänge emittierenden Leuchtflächen beinhalten, wobei die Leuchtflächengruppen räumlich getrennt voneinander angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich über die Anordnung der Leuchtflächengruppen die Mischung über die Apertur in ausreichendem Maße realisieren, beispielsweise wenn die Leuchtflächengruppen in Umfangsrichtung des Halbleiterlichtquellenfeldes verteilte Sektoren bilden.
Die ungleichmäßige azimutale Verteilung der Lichtfarben ist hierbei nicht störend, da eine Mischung über den Azimutwinkel durch die Mehrfachreflexion im Lichtwellenleiter erfolgt.
Eine besonders breite spektrale Verteilung im Licht der Lichtquelle lässt sich erreichen, wenn wenigstens vier mit unterschiedlichen Wellenlängen emittierende Leuchtflächen vorhanden sind, beispielsweise rot, grün, blau und gelb emittierende Leuchtflächen. Zwar lässt sich grundsätzlich auch mit lediglich im roten Spektralbereich, im grünen Spektralbereich und im blauen Spektralbereich emittierenden Leuchtflächen weißes Licht mischen, jedoch lässt sich durch die Beimischung von gelbem Licht eine spektrale Lücke zwischen dem grünen Licht und dem roten Licht schließen, wodurch sich eine sogenannte „warm-weiße” Farbe des Lichtes realisieren lässt, was insbesondere für die Beleuchtung in einem Operationsmikroskop Vorteile mit sich bringt, weil es einem Arzt die Beurteilung des beobachteten Gewebes anhand der Gewebefarbe ermöglicht.
Vorteilhafterweise umfasst das Kollektorlinsenfeld so viele Kollektoreinzellinsen wie Leuchtflächen im Halbleiterlichtquellenfeld vorhanden sind. Jeder Leuchtfläche im Halbleiterlichtquellenfeld ist dann eine eigene Kollektoreinzellinse zugeordnet. Dadurch kann jede Kollektoreinzellinse optimal zur Abbildung der zugeordneten Leuchtfläche auf den Eingang des Lichtwellenleiters ausgestaltet werden. In einer geeigneten Ausgestaltung der Kollektoreinzellinsen umfassen diese jeweils eine plane oder eine sphärische optische Fläche (Linsenfläche) sowie eine asphärische optische Fläche (Linsenfläche). Außerdem kann das Kollektorlinsenfeld wenigstens einseitig eine Antireflexbeschichtung aufweisen, um Transmissionsverluste zu minimieren.
Eine Anordnung der Leuchtflächen im Halbleiterlichtquellenfeld an den Gitterstellen eines Gitters, insbesondere eines zweidimensionalen regelmäßigen polygonalen Gitters, beispielsweise eines quadratischen oder hexagonalen Gitters, ermöglicht eine optimierte Anordnung der Kollektoreinzellinsen im Kollektorlinsenfeld. Insbesondere ein hexagonales Gitter ermöglicht hierbei eine optimale Flächennutzung. Insbesondere lässt sich eine Ausführungsvariante der Lichtquelle realisieren, in der das Kollektorlinsenfeld so viele Kollektoreinzellinsen umfasst, wie Leuchtflächen im Halbleiterlichtquellenfeld vorhanden sind, und in der die Kollektoreinzellinsen des Kollektorlinsenfeldes an den Gitterstellen eines regelmäßigen polygonalen Gitters angeordnet sind, das dem Gitter der Leuchtflächen im Halbleiterlichtquellenfeld entspricht. Wenn die Kollektoreinzellinsen des Kollektorlinsenfeldes darüber hinaus eine polygonale Apertur statt einer runden Apertur besitzen, können tote Zonen, also für die Lichtübertragung nicht nutzbare Zonen, zwischen den Kollektoreinzellinsen weitgehend vermieden werden.
Die Kondensorlinse kann insbesondere wenigstens eine plane und eine asphärisch gekrümmte optische Fläche aufweisen. Zudem kann die Kondensorlinse entweder als große Linse oder als ein Kondensorlinsenfeld mit einer Anzahl von Kondensoreinzellinsen ausgebildet sein, die jeweils eine plane und eine asphärisch gekrümmte optische Fläche aufweisen können. Die Kondensoreinzellinsen können dann an den Gitterstellen eines Gitters angeordnet, dass dem Gitter der Leuchtfläche im Halbleiterlichtquellenfeld entspricht. Wie beim Kollektorlinsenfeld ermöglicht es die Verwendung eines Kondensorlinsenfeldes die darin enthaltenen Kondensoreinzellinsen optimal an die Abbildung einer spezifischen Leuchtfläche auf den Eingang des Lichtwellenleiters anzupassen. Mit dem Kollektorlinsenfeld und dem Kondensorlinsenfeld lässt sich so für jede Leuchtfläche ein individueller Abbildungskanal zur Abbildung auf das Eingangsende des Lichtwellenleiters bereitstellen, der optimal an die jeweilige Abbildung angepasst ist.
Etwaige durch die Abbildung der Leuchtflächen auf das Eingangsende des Lichtwellenleiters entstehende Inhomogenitäten innerhalb der Ebene der Eingangsfläche des Lichtwellenleiters lassen sich dadurch kompensieren, dass der Lichtwellenleiter ein Faserbündel mit einer Anzahl von Lichtleitfasern umfasst, die jeweils an einen am Eintrittsende des Lichtwellenleiters angeordneten Fasereingang und einen am Austrittsende des Lichtwellenleiters angeordneten Faserausgang aufweisen. Die Orte der Faserausgänge am Ausgangsende des Lichtwellenleiters sind dabei in Bezug auf die Orte der Fasereingänge am Eingangsende des Lichtwellenleiters statistisch verteilt, d. h. es besteht kein Zusammenhang zwischen dem Ort des Fasereingangs in der Ebene der Eingangsfläche des Lichtwellenleiters und dem Ort des Faserausgangs in der Ebene der Ausgangsfläche des Lichtwellenleiters. Am Ausgangsende des Lichtwellenleiters liegt daher keine optische Abbildung der überlagerten Leuchtflächen vor, sondern lediglich eine statistische Helligkeitsverteilung. Diese Helligkeitsverteilung führt dazu, dass etwaige Helligkeitsschwankungen, die in den am Eingangsende des Lichtwellenleiters überlagerten Bilder der Leuchtflächen vorhanden sind, statistisch ausgemittelt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lichtquelle weist der Lichtwellenleiter eine numerische Apertur von mindestens 0,5 auf. Insbesondere bei einer numerischen Apertur im Bereich von 0,5 bis 0,6, kann die Lichtquelle ohne weiteres anstelle einer vorhandenen Halogen- oder Xenonlichtquelle in ein Operationsmikroskop eingebaut werden, ohne dass Änderungen am Stativ oder am Mikroskop selbst nötig wären. Aber auch numerische Aperturen größer als 0,6 sind vorteilhaft. Zwar können erfindungsgemäße Lichtquellen mit so großen numerischen Aperturen häufig nicht mehr ohne weitere optische Elemente in ein bestehendes Operationsmikroskop anstelle einer Halogenbeleuchtung oder einer Xenonbeleuchtung eingebaut werden, jedoch bieten sie den Vorteil, dass aufgrund der größeren numerischen Apertur bei unveränderter Abmessung der Lichtquelle entlang der optischen Achse ein größeres Halbleiterlichtquellenfeld Verwendung finden kann, so dass durch den Lichtwellenleiter mehr Lichtintensität übertragen werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Lichtquelle eine auf individuelle Leuchtflächen oder Leuchtflächegruppen zum Einstellen der Leuchtintensität einwirkende Einstelleinrichtung auf. Diese kann beispielsweise mehrere elektrische Ansteuerungen umfassen, wobei zumindest jeder Leuchtflächengruppe eine eigene elektrische Ansteuerung zugeordnet ist. Durch Variation des an den einzelnen Leuchtflächengruppen anliegenden Stroms, lässt sich die Leuchtintensität der jeweiligen Leuchtflächengruppe (und damit der der Leuchtflächengruppe zugeordneten Farbe) gezielt einstellen. Wenn nun alle Leuchtflächengruppen gezielt einstellbar sind, besteht eine hohe Freiheit in der Wahl der Farbe des gemischten Lichtes. Eigene elektrischen Ansteuerungen können hierbei sowohl in Form gegenständlich getrennter Ansteuerungen, als auch in Form funktionell getrennter Bereiche einer einzigen Ansteuerung realisiert sein.
Statt einer direkten Einstellung des durch die einer Leuchtflächengruppe zugrunde liegenden Halbleiterlichtquellen zum Einstellen der Leuchtintensität ist es auch möglich, die Leuchtintensität mittels einer Pulsweitenmodulation einzustellen. In einer solchen Modulation werden die Halbleiterlichtquellen gepulst mit Strom versorgt, wobei jeder Strompuls mit derselben Stromstärke erfolgt. Die Dauer der Strompulse kann zwischen einer minimalen Dauer, die insbesondere auch null sein kann, und einer maximalen Dauer variieren. Die maximale Dauer entspricht dabei einem Zeitintervall in der Größenordnung von Bruchteilen von Sekunden, was einer Frequenz entspricht, die so hoch ist, dass das menschliche Auge, oder ggf. eine Kamera, sie nicht auflösen kann. Die Helligkeitseinstellung erfolgt dann durch Einstellen der Zeitdauer des Strompulses innerhalb dieses Intervalls. Während des Strompulses wird von der Halbleiterlichtquelle ein Lichtpuls mit hoher Leuchtintensität abgegeben. Die Lichtquelle erscheint dunkel, wenn die Dauer des Strompulses kurz im Verhältnis zur Intervalldauer ist und hell, wenn die Dauer des Strompulses in die Nähe der Intervalldauer gelangt. Da die Dauer des Zeitintervalls so kurz bzw. die Frequenz aufeinander folgender Zeitintervalle so hoch ist, dass das menschliche Auge sie nicht auflösen kann, ist das menschliche Auge nicht in der Lage, die Pulse mit der hohen Leuchtintensität als solche wahrzunehmen. Stattdessen werden die Pulse und die darauf folgenden Dunkelphasen der Lichtquelle vom Auge gemittelt, so dass vom Betrachter eine mittlere Helligkeit wahrgenommen wird. In der Pulsweitenmodulation wird die Lichtquelle also gepulst betrieben, wobei die Pulslänge bezogen auf die Intervalldauer die vom Auge wahrgenommene Helligkeit der Lichtquelle bestimmt. Diese Art der Intensitätseinstellung eignet sich insbesondere für eine digitale Einstellung der Leuchtintensität der Leuchtflächen bzw. der Leuchtflächengruppen.
Alternativ kann die Einstelleinrichtung aber auch Abschwächungselemente und/oder Abschattungselemente umfassen, welche eine Abschwächung bzw. Abschattung der Leuchtintensität individueller Leuchtflächen oder individueller Leuchtflächengruppen ermöglicht. Beispiele für Abschwächungselemente und/oder Abschattungselemente sind Neutraldichtefilter, Blenden, LCD-Shutter, etc. Auf eine elektrische Einstellbarkeit der Leuchtintensität der Lichtquellen kann dann verzichtet werden.
Eine besonders einfache Möglichkeit, die Farbe der erfindungsgemäßen Lichtquelle zu variieren bietet sich, wenn wenigstens ein Farbfilter vorhanden ist, der zwischen die Linsenkombination und das Eingangsende des Lichtwellenleiters einbringbar ist. Wenn ein Austauschen des einbringbaren Farbfilters möglich ist, können auch so eine Vielzahl unterschiedlicher Farben realisiert werden.
Alternativ oder zusätzlich zum Vorsehen verschiedenfarbig emittierender Halbleiterlichtquellen oder von Farbfiltern zum Erzeugen von Licht mit einer bestimmten Wellenlängenverteilung ist es auch möglich, zwischen der Linsenkombination und dem Eingangsende des Lichtwelleneiters ein Konverterelement mit wenigstens einem Konverterleuchtstoff zum wenigstens teilweisen Umwandeln einer ersten Wellenlänge in eine zweite Wellenlänge anzuordnen.
Ein kostengünstiges Herstellen der erfindungsgemäßen Lichtquelle ist möglich, wenn die Kollektoreinzellinse und/oder die Kondensoreinzellinsen funktionale Abschnitte eines einstückig ausgebildeten Kollektorlinsenfeldes bzw. eines einstückig ausgebildeten Kondensorlinsenfeldes sind. In diesem Fall kann das Kollektorlinsenfeld ein blankgepresster oder heißgeprägter Glaskörper oder ein spritzgegossener oder heißgeprägter Kunststoffkörper sein und/oder das Kondensorlinsenfeld kann ein blankgepresster oder heißgeprägter Glaskörper oder ein spritzgegossener oder heißgeprägter Kunststoffkörper sein. Insbesondere das Blankpressen von Glas, das Heißprägen von Glas oder von Kunststoff sowie das Spritzgeißen von Kunststoff als Fertigungstechnologie zum Herstellen der Linsenfelder gewährleisten niedrige Herstellungskosten für die erfindungsgemäße Lichtquelle.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass unter unterschiedlichen Farben auch unterschiedliche Tönungen einer einzigen Farbe verstanden werden sollen. So kann es beispielsweise wünschenswert sein, die Beleuchtung mit einer Halogenlampe oder mit einer Xenonlampe zu simulieren. Beide Lampen erzeugen im Wesentlichen weißes Licht. Im Vergleich zum Licht einer Xenonlampe hat das Licht einer Halogenlampe aber mehr Gelb- und Rotanteile, sowie weniger Blau- und Grünanteile. Eine entsprechende Veränderung des Eindrucks, den das Licht vermittelt, lässt sich mit allen oben aufgeführten Einstelleinrichtungen realisieren.
Ein erfindungsgemäßes optisches Beobachtungsgerät ist mit einer erfindungsgemäßen Lichtquelle ausgestattet. Das optische Beobachtungsgerät kann ein medizinisch-optisches Beobachtungsgerät, insbesondere ein Operationsmikroskop, aber auch beispielsweise ein Endoskop sein. Die durch das erfindungsgemäße optische Beobachtungsgerät realisierten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Lichtquelle.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Lichtquelle in einer geschnittenen Seitenansicht.
2 zeigt das Halbleiterlichtquellenfeld der Lichtquelle aus 1.
3 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Halbleiterlichtquellenfeldes der Lichtquelle aus 1.
4 zeigt eine Abwandlung der Lichtquelle ais 1.
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Lichtquelle in einer geschnittenen Seitenansicht.
6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lichtquelle in einer Ansicht auf das Halbleiterlichtquellenfeld.
7 zeigt eine Farbeinstelleinrichtung zum Einstellen der Farbe der in 5 dargestellten Lichtquelle in Form eines Blockdiagramms.
8 zeigt eine alternative Farbeinstelleinrichtung zum Einstellen der Farbe der in 6 dargestellten Lichtquelle in Form eines Blockdiagramms.
9 zeigt ein erfindungsgemäßes Operationsmikroskopsystem.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Lichtquelle wird nachfolgend mit Bezug auf die 1 und 2 erläutert. 1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht der Lichtquelle, 2 eine Ansicht auf das Halbleiterlichtquellenfeld.
Die Lichtquelle gemäß der ersten Ausführungsform umfasst ein Halbleiterlichtquellenfeld, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel als LED-Feld 1 mit insgesamt zwölf LEDs 3 ausgestaltet ist. Weiterhin umfasst die Lichtquelle eine Linsenkombination 5 mit einem Kollektorlinsenfeld 7 als Kollektorlinsenfeld und einer Kondensorlinse 9 sowie einen Lichtwellenleiter 11, der als einzelne Lichtleitfaser oder als Faserbündel ausgestaltet sein kann. Das Kollektorlinsenfeld 7 weist im vorliegenden Beispiel zwölf Linsenabschnitte 19 auf, wobei jeder Linsenabschnitt funktional eine Kollektoreinzellinse 19 des Kollektorlinsenfeldes 7 darstellt, die einer einzelnen LED 3 individuell zugeordnet ist. Im Rahmen des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Lichtwellenleiter 11 als Einzelfaser dargestellt, um eine Darstellung der Reflexion im Inneren des Lichtwellenleiters zu ermöglichen. Üblicherweise ist der Lichtwellenleiter 11 aber aus einer Vielzahl von sehr dünnen Einzelfasern aufgebaut. Der Durchmesser des Lichtwellenleiters 11 liegt in der Größenordnung von 5 mm, der Durchmesser der Einzelfasern des Faserbündels im Bereich von wenigen μm bis ca. einem halben mm. Ebenfalls dargestellt ist in 1 ein Farbfilter 13, der zwischen der Linsenkombination 5 und dem Lichtwellenleiter 11 in den Strahlengang eingeschoben werden kann, um die Farbe des vom Lichtwellenleiter übertragenden Lichtes variieren zu können.
Eine Aufsicht auf das LED-Feld 1 des ersten Ausführungsbeispiels ist in 2 dargstellt. Neben den Leuchtflächen 15 der Leuchtdioden 3 sind die Aperturen 17 der Kollektoreinzellinsen 19 in dem Kollektorlinsenfeld 7 sowie die Apertur 21 der Kondensorlinse 9 dargestellt. Sowohl die LEDs im LED-Feld 1, als auch die Kollektoreinzellinsen 19 (in 2 durch ihre Aperturen 17 zu erkennen) sind an den Gitterstellen eines regelmäßigen quadratischen Gitters angeordnet. Obwohl in 2 nicht dargestellt, kann die Periode der gitterförmigen Anordnung der Einzellinsen 19, und damit verbunden die Periode der Aperturen 17, gegenüber der Periode der gitterförmig angeordneten Leuchtflächen 15 abweichen, um die Zentrierung der Abbildungen der einzelnen Leuchtflächen 15 mit Bezug auf das Eingangsende 23 des Lichtwellenleiters 11 zu optimieren.
Das LED-Feld 1 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier verschiedene Sorten von LED-Chips, nämlich rot emittierende LED-Chips, grün emittierende LED-Chips, gelb emittierende LED-Chips und weiß emittierende LED-Chips. Es sind daher rote Leuchtflächen 15A, grüne Leuchtflächen 15B, gelbe Leuchtflächen 15C und weiße Leuchtflächen 15D vorhanden. Die Beimischung von gelben Leuchtflächen dient dazu, im Spektrum sonst vorhandene Lücken im gelben bis roten Spektralbereich zu schließen, um ein warmes weiß ähnlich einer Halogenlampe zu erzeugen. Grundsätzlich ist es aber ausreichend, drei Farben zum Erzeugen von weißem Licht zu verwenden. Alternativ können statt der weißen LEDs auch blaue LEDs, d. h. blau leuchtende Leuchtfflächen Verwendung finden.
Leuchtflächen derselben Farbe sind gruppiert angeordnet, wobei die Gruppen entlang des Umfangs des LED-Feldes 1, angedeutet durch die punktierten Kreise in 2, aufeinander folgen, d. h. azimutal verteilt sind. Die in 2 dargestellte Anordnung der farbigen Leuchtflächen kann auch als eine sektorweise Gruppierung der Leuchtflächen 15 in Leuchtflächengruppen angesehen werden.
Das Kollektorlinsenfeld 7 und die Kondensorlinse 9 der Linsenkombination 5 stellen eine abbildende Optik dar, welche die Leuchtflächen 15 der einzelnen LED-Chips 3 überlagert auf das Eingangsende 23 des Lichtwellenleiters 11 abbilden. Sowohl die Einzellinsen 19 des Kollektorlinsenfeldes 7 als auch die Kondensorlinse 9 weisen jeweils eine plane Linsenfläche 10, 22 und eine asphärische Linsenfläche 8, 20 auf, wobei die asphärische Fläche 20 der Kondensorlinse 9 den asphärischen Flächen 8 der Kollektoreinzellinsen 19 zugewandt ist. Statt der planen Linsenflächen 8 können die Kollektoreinzellinsen auch sphärische Linsenflächen aufweisen. Die Überlagerung der Bilder der einzelnen Leuchtflächen 15 führt bei der erfindungsgemäßen Lichtquelle zu einer guten Farbmischung am Eingangsende 23 des Lichtwellenleiters über dessen Eingangsfläche. Das Kollektorlinsenfeld 7 ermöglicht hierbei ein besonders hohes Maß für den durch die optischen Komponenten der Lichtquelle übertragenden Lichtstrom, da er die Leuchtdichte der Leuchtflächen lediglich um die Vigettierung an den Aperturen an den Kollektoreinzellinsen vermindert, d. h. keinen Lichtleitwert einführt.
Wie erwähnt ergibt sich durch die abbildende Eigenschaft der Linsenkombination 5 eine gute Farbmischung über die gesamte Fläche des Eintrittsendes 23 des Lichtwellenleiters 11. Für einen Betrachter bedeutet dies, dass eine farbige Fläche, die mit dem am Austrittsende 24 der Lichtquelle austretenden Licht beleuchtet wird, einem Betrachter unter einem gegebenen Betrachtungswinkel über die gesamte Fläche einen homogenen Farbeindruck vermittelt. Von Bedeutung ist darüber hinaus aber auch, dass der Farbeindruck, der einem Betrachter vermittelt wird, bei einer Variation des Betrachtungswinkels bezogen auf die Flächennormale nicht variiert. Dies wird in der erfindungsgemäßen Lichtquelle durch eine Farbmischung über den Aperturwinkel am Eingangsende 23 des Lichtwellenleiters 11 erreicht. Die Farbmischung über den Aperturwinkel ergibt sich daraus, dass die Farben bei den vier auf dem inneren gestrichelten Kreis (siehe 2) gelegenen LEDs im selben Verhältnis vorhanden sind und mehr oder weniger in demselben Sektor liegen wie die Farben in den auf dem äußeren Kreis in 2 gelegenen LEDs 3. Weiterhin ist es für einen Betrachter wichtig, dass der Farbeindruck auch nicht über den Azimutwinkel variiert, d. h. wenn er sich senkrecht zur Flächennormale um die Fläche herum bewegt. Dies wird in der erfindungsgemäßen Lichtquelle dadurch erreicht, dass eine Lichtmischung über den Azimut im Lichtwellenleiter 11 erfolgt. Zur Lichtmischung über den Azimutwinkel führt hierbei die im Lichtwellenleiter auftretende Vielfachreflexion des Lichtes, was die einzelnen Farben über den Austrittswinkel des Lichtwellenleiters durchmischt. Eine weitere Homogenisierung sowohl der Intensität als auch der Farbe des Lichtes erfolgt bei Verwendung eines ungeordneten Faserbündels als Lichtwellenleiter 11. In einem solchen Faserbündel ist der Ort der Faseraustrittsfläche in der Austrittsfläche am Austrittsende 24 des Lichtwellenleiters 11 unabhängig vom Ort der Fasereintrittsfläche am Eintrittsende des Lichtwellenleiters 11 in einer statistischen Verteilung angeordnet. Etwaige am Eintrittsende des Lichtwellenleiters 11 auftretende Inhomogenitäten werden daher durch das Faserbündel statistisch ausgemittelt.
Eine Abwandlung des in 2 dargestellten LED-Feldes 1 ist in 3 dargestellt. Das LED-Feld 25 unterscheidet sich vom LED-Feld 1 des ersten Ausführungsbeispiels dadurch, dass lediglich LEDs 3 mit drei verschiedenen Emissionswellenlängen im sichtbaren Spektralbereich vorhanden sind, nämlich drei rote LEDs mit den Leuchtflächen 15A, drei grüne LEDs mit den Leuchtflächen 15B sowie vier weiße LEDs mit den Leuchtflächen 15C. Weiterhin sind in dem in 3 dargestellten LED-Feld 25 eine im ultravioletten Spektralbereich emittierende LED mit einer Leuchtfläche 15E und eine im infraroten Spektralbereich emittierende LED mit einer Leuchtfläche 15F vorhanden. Auf diese Weise kann das Spektrum der Lichtmischung erweitert werden, so dass weitere Anwendungsmöglichkeiten der Lichtquelle realisiert werden können, beispielsweise im Rahmen einer Fluoreszenzmikroskopie. Selbstverständlich ist es möglich, anstelle der im infraroten Spektralbereich emittierenden LED mit der Leuchtfläche 15F eine zweite im ultravioletten Spektralbereich emittierende LED vorzusehen. Auch die in 3 vorhandene vierte weiße LED, deren Leuchtfläche 15C in der oberen linken Ecke des von jeden vier weißen LEDs gebildeten Quadrats angeordnet ist, kann durch eine dritte im ultravioletten Spektralbereich emittierende LED ersetzt werden, so dass eine symmetrische Anordnung entsteht, wie sie in 2 dargstellt ist. Entsprechend können statt zwei oder drei im ultravioletten Spektralbereich emittierende LEDs auch zwei oder drei im infraroten Spektralbereich emittierende LEDs analog angeordnet sein.
Statt der drei roten LEDs mit den Leuchtflächen 15A, der drei grünen LEDs mit den Leuchtflächen 15B sowie der vier weißen LEDs mit den Leuchtflächen 15C können im LED-Feld 25 der in 3 dargestellten Abwandlung auch zehn LEDs mit identischer Emissionsellenlänge bzw. Emissionsellenlängenverteilung vorhanden sein, bspw. zehn weiße LEDs oder zehn blaue LEDs. Es würde dann ultraviolettes und/oder infrarotes Licht der Leuchtflächen 15E bzw. 15F dem Licht der zehn LEDs mit identischer Emissionsellenlänge bzw. Emissionsellenlängenverteilung beigemischt. In einer derartigen Variante kann auch eine Konversion des blauen oder weißen Lichtes mittels eines Konverterelementes 26 vorgenommen werden, wie dies in 4 dargestellt ist. Das Konverterelement 26 umfasst wenigstens einen Konverterleuchtstoff, der das einfallende Licht teilweise in Licht einer anderen Wellenlänge umwandelt. Wenn im LED-Feld 25 blaue LEDs vorhanden sind, kann der Konverterleuchtstoff bspw. so gewählt sein, dass des blaue Licht teilweise in gelbes Licht umgewandelt wird. Die Überlagerung aus nicht umgewandeltem blaue Licht und umgewandelten gelben Licht ergibt dann weißes Licht. Das Konverterelement 26 kann insbesondere auch mehrere Konverterleuchtstoffe beinhalten, welche mit einer bestimmten Wellenlänge einfallendes Licht jeweils in eine andere Wellenlänge bzw. Wellenlängenverteilung umwandeln, bspw. kann ein erster Konverterleuchtstoff blaues Licht teilweise in gelbes Licht umwandeln, während ein zweiter Konverterleuchtstoffblaues Licht teilweise in rotes Licht umwandelt.
Auch wenn dass LED-Feld LEDs mit verschiedenen Emissionswellenlängen aus dem sichtbaren Spektralbereich aufweist, kann ein Konverterelement 26 zum Einsatz kommen, um Licht einer der Emissionswellenlängen wenigstens teilweise in Licht einer oder mehrerer anderer Wellenlängen umzuwandeln. Wenn das LED-Feld bspw. rote, grüne und blaue LEDs umfasst, kann für eine dieser Emissionswellenlängen wenigstens ein eigener Konverterleuchtstoff zum Umwandeln des jeweiligen Lichtes in Licht mit einer anderen Wellenlänge vorhanden sein. Bspw. kann das Licht der blauen LEDs teilweise in gelbes Licht umgewandelt werden. Außerdem ist es möglich, das Konverterelement 26 mit verschiedenen Konverterleuchtstoffen auszustatten, die verschiedene Emissionswellenlängen jeweils teilweise in Licht einer oder mehrerer weiterer Wellenlängen umwandeln. Wenn das LED-Feld bspw. rote, grüne und blaue LEDs umfasst, kann für wenigstens zwei dieser Farben wenigstens ein eigener Konverterleuchtstoff zum Umwandeln des jeweiligen Lichtes in Licht mit einer anderen Wellenlänge vorhanden sein, um besonders breitbandiges Licht zu erzeugen. Bspw. kann das Licht der grünen LEDs in rotes Licht und das Licht der blauen LEDs in gelbes Licht umgewandelt werden. Wen bestimmte Wellenlängen des in das Konverterelement 26 einfallenden Lichtes nicht umgewandelt werden sollen, weist es für diese Wellenlängen vorzugsweise einen hohen Transmissionsgrad auf.
Das Konverterelement 26 ist vorteilhafter weise nahe am Eingangsendes 23 des Lichtwellenleiters 11 angeordnet, da der Konverterleuchtstoff das Winkelspektrum des durch das Konverterelement 26 hindurch tretenden Lichtes verbreitert. Die durch die Verbreiterung entstehenden Verluste können durch die Anordnung des Konverterelements 26 nahe am Eingangsendes 23 des Lichtwellenleiters 11 gering gehalten werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Lichtquelle ist in 5 in einer geschnittenen Seitenansicht dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel umfasst wie das erste Ausführungsbeispiel ein LED-Feld 1 als Halbleiterlichtquellenfeld, sowie einen Lichtwellenleiter 11, der insbesondere als ungeordnetes Faserbündel ausgestaltet sein kann. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Lichtquelle durch seine Linsenkombination. Die Linsenkombination 27 des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst neben einem Kollektorlinsenfeld 7, das dem Kollektorlinsenfeld des ersten Ausführungsbeispiels entspricht, einen Kondensorlinsenfeld 29, das an die Stelle der Kondensorlinse 9 im ersten Ausführungsbeispiel tritt. Das LED-Feld 1, das Kollektorlinsenfeld 7 und der Lichtwellenleiter 11 unterscheiden sich nicht von den entsprechenden Elementen des ersten Ausführungsbeispiels und werden daher nicht noch einmal im Detail erläutert.
Das im zweiten Ausführungsbeispiel verwendete Kondensorlinsenfeld 29 weist eine Anzahl von funktionalen Kondensoreinzellinsen 31 auf. Die Zahl der Kondensoreinzellinsen 31 entspricht der Zahl der Kollektoreinzellinsen 19, und damit auch der Zahl der Leuchtflächen 15 im LED-Feld 1. Außerdem sind die Kondensoreinzellinsen 31 in einem periodischen Gitter angeordnet, das dem Gitter der Anordnung der Kollektoreinzellinsen 19 bzw. dem Gitter der Anordnung der Leuchtflächen 15 im LED-Feld 1 entspricht. Die Perioden der einzelnen Gitter können hierbei etwas voneinander abweichen, um die Zentrierung der Abbildungen der einzelnen Leuchtflächen 15 auf dem Eingangsende 23 des Lichtwellenleiters 11 zu optimieren. Wie die Kollektoreinzellinsen 19 weisen auch die Kondensoreinzellinsen 31 jeweils eine asphärische Linsenfläche 33 sowie eine plane Linsenfläche 35 auf, wobei die asphärischen Linsenflächen 33 der Kondensoreinzellinsen 31 den asphärischen Flächen der Kollektoreinzellinsen zugewandt sind. Die Kollektoreinzellinsen 19 können auch in diesem Ausführungsbeispiel asphärische Linsenflächen statt der planen Linsenflächen 8 aufweisen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet jede Kollektoreinzellinse 19 mit der zugeordneten Kondensoreinzellinse 31 einen optischen Abbildungskanal, welcher genau eine Leuchtfläche 15 des LED-Feldes 1 auf das Eingangsende 23 des Lichtwellenleiters 11 abbildet. Dadurch, dass für jeden Abbildungskanal eine eigene Einzellinsenkombination vorliegt, kann diese Einzellinsenkombination optimal an die Abbildung der entsprechenden Leuchtfläche auf das Eingangsende 23 des Lichtwellenleiters 11 angepasst werden. Auf diese Weise lässt sich eine besonders hohe Abbildungsqualität erreichen, was wiederum eine besonders hohe Homogenität der Farbmischung über die Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters 11 ermöglicht.
Eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtquelle ist in 6 in einer Aufsicht auf ihr Leuchtdiodenfeld 37 dargestellt. Ebenso eingezeichnet sind die Aperturen 39 des zugehörigen Kollektorlinsenfeldes Im Unterschied zu den ersten beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Leuchtdioden 3 des Leuchtdiodenfeldes 37 nicht in einem quadratischen Gitter angeordnet, sondern in einem hexagonalen Gitter. Entsprechend weisen auch die Kollektoreinzellinsen eine hexagonale Apertur 39 auf. Mit der hexagonalen Anordnung der LEDs 3 lässt sich die Flächendichte an LEDs 3 im LED-Feld 37 – und damit die Flächenhelligkeit des LED-Feldes – im Vergleich zu den LED-Feldern 1, 25 der ersten beiden Ausführungsbeispiele erhöhen. Wenn außer dem Kollektor auch der Kondensor als Linsenfeld ausgestaltet ist, weisen auch die Kondensoreinzellinsen eine hexagonale Apertur auf. Wie in den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Periode des LED-Feldes 37 von der Periode des Kollektorlinsenfeldes und ggf. von der Periode des Kondensorlinsenfeldes abweichen, um die Zentrierung der Bilder der einzelnen Leuchtflächen 15 auf dem Eingangsende 23 des Lichtwellenleiters 11 zu optimieren. Selbstverständlich kann bei Vorhandensein eines Kondensorlinsenfeldes die Periode des Kondensorlinsenfeldes sowohl von der Periode des Kollektorlinsenfeldes, als auch von der Periode des LED-Feldes 37 abweichen. Für die Linsenflächen des Kollektorlinsenfeldes und des Kondensors bzw. Kondensorlinsenfeldes gilt das mit Bezug auf die beiden ersten Ausführungsbeispiele erläuterte entsprechend.
In dem in 6 dargestellten LED-Feld 37 sind LEDs mit vier verschiedenen Emissionswellenlängen vorhanden, nämlich jeweils zwei rote LEDs mit den Leuchtflächen 15G, blaue LEDs mit den Leuchtflächen 15H und grüne LEDs mit den Leuchtflächen 15I sowie eine weiße LED mit der Leuchtfläche 15K. Wie in den übrigen Ausführungsbeispielen besteht aber auch im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, für alle Leuchtflächen 15 LEDs 3 mit derselben Emissionswellenlänge zu verwenden. Falls alle LEDs 3 dieselbe Emissionswellenlänge aufweisen, können beispielsweise mit Hilfe von Farbfiltern, die zwischen den LEDs und dem Kollektorlinsenfeld angeordnet sind, unterschiedliche Farben der Leuchtflächen 15 realisiert werden. Statt der Farbfilter können auch Konvertermaterialien zur Anwendung kommen, die das Licht der LEDs teilweise oder vollständig in Licht einer anderen Wellenlänge umwandeln. Derartige Konvertermaterialien kommen beispielsweise bei weißen LEDs zur Anwendung, um blaues oder ultraviolettes Ausgangslicht teilweise in gelbes Licht umzuwandeln, so dass die Mischung des Ausgangslichts mit dem umgewandelten Anteil weißes Licht ergibt. Aber auch das Einbringen eines Farbfilters vor das Eingangsende des Lichtwellenleiters stellt eine Möglichkeit dar, die gewünschte Lichtfarbe zu realisieren.
7 zeigt eine Farbeinstelleinheit, wie sie in dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lichtquelle zur Anwendung kommt. Die Farbeinstelleinheit ist jedoch nicht auf die Verwendung zusammen mit dem dritten Ausführungsbeispiel für die Lichtquelle beschränkt, sondern kann grundsätzlich in allen anderen Ausführungsbeispielen zum Einsatz kommen.
Die in 7 eingestellte Farbeinstelleinrichtung umfasst als wesentlichen Bestandteil eine Pulsweitenmodulationseinheit 41, die mit einer Konstantstromquelle zur Stromversorgung der Leuchtdioden 3 im LED-Feld 37 verbunden ist. Das Leuchtfeld 37 ist in 7 der Einfachheit halber als Block dargestellt.
Die Pulsweitenmodulationseinheit 41 weist einen Farbsignaleingang 45 auf, über den ein eine einzustellende Lichtfarbe repräsentierendes Farbsignal an die Pulsweitenmodulationseinheit 41 übermittelt werden kann. Die Pulsweitenmodulationseinheit 41 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in sieben Funktionseinheiten unterteilt, von denen jede jeweils einer LED 3 zugeordnet ist. Jede Funktionseinheit ist dazu ausgelegt, die Lichtintensität der zugeordneten LED durch Pulsweitenmodulation einzustellen. Das über den Eingang 45 eingegebene Farbsignal gibt dabei an, mit welcher gemittelten Lichtintensität die einzelnen LEDs im LED-Feld 37 betrieben werden sollen. Wenn beispielsweise im Extremfall nur die den Leuchtflächen 15G zugeordneten Leuchtdioden mit maximaler Leuchtintensität betrieben werden, wohingegen die übrigen Leuchtdioden mit minimaler Leuchtintensität betrieben werden, insbesondere sogar gar kein Licht abgeben, erscheint das am Ausgangsende des Lichtwellenleiters 11 austretende Licht rot. Entsprechend kann durch geeignete Einstellung der individuellen Leuchtintensitäten der Leuchtdioden 3 eine beliebige Lichtfarbe realisiert werden. Das mit Bezug auf 7 beschriebene Ausführungsbeispiel für die Farbeinstelleinrichtung eignet sich insbesondere für eine digitale Ansteuerung. Obwohl in 7 die Lichtintensität aller LEDs individuell eingestellt werden kann, ist es zur Farbeinstellung ausreichend, wenn jeweils nur die Lichtintensitäten der einzelnen Leuchtflächengruppen einstellbar ist, wobei dann vier Pulsweitenmodulationsuntereinheiten ausreichen.
Als Alternative zum Einstellen der Leuchtintensität der einzelnen LEDs mittels Pulsweitenmodulation besteht auch die Möglichkeit, die Leuchtintensität der einzelnen LEDs im LED-Feld 37 durch individuelles Einstellen der Stromstärke für jede Leuchtdiode zu realisieren, da die Leuchtintensität einer Leuchtdiode von der Stromstärke des durch die Leuchtdiode fließenden Stroms abhängt.
Eine alternative Farbeinstelleinrichtung ist schematisch in 8 dargestellt. Auch diese Farbeinstelleinrichtung wird mit Bezug auf das dritte Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Lichtquelle beschrieben, wobei angemerkt sein soll, dass die in 8 dargestellte Farbeinstelleinrichtung grundsätzlich auch im Rahmen der übrigen Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Lichtquelle zur Anwendung kommen kann.
Die Farbeinstelleinrichtung 47 umfasst eine Steuereinheit 49 und vier LED-Shutter 51G, 51H, 51I und 51K. Hierbei ist der LED-Shutter 51G der aus den Leuchtflächen 15G gebildeten Leuchtflächengruppe, der LCD-Shutter 51H den aus den Leuchtflächen 15H gebildeten Leuchtflächengruppe, der LCD-Shutter 51I, der aus den Leuchtflächen 15I gebildeten Leuchtflächengruppe und der LCD-Shutter 51K der Leuchtfläche 15K zugeordnet. Jeder LCD-Shutter 51 kann zwischen einem transparenten Zustand und einem intransparenten Zustand hin- und hergeschaltet werden, so dass sich durch Wahl des Schaltzustandes eine Leuchtflächengruppe gezielt ein- und ausblenden lässt. Das Ein- bzw. Ausblenden von Leuchtfeldgruppen erfolgt durch die Steuereinheit 49 auf der Basis eines Farbeinstellsignals, welches über einen Farbsignaleingang 53 der Steuereinheit 49 zugeführt wird.
Statt den einzelnen Leuchtflächengruppen jeweils einen Shutter 51 zuzuordnen, besteht auch die Möglichkeit, jeder Leuchtfläche einen eigenen Shutter 51 zuzuordnen. Es sind dann so viele Shutter wie Leuchtdioden im Leuchtfeld vorhanden. Auf diese Weise ist eine feinere Abstufung in der Farbwahl möglich, da eine bestimmte Leuchtfläche gar nicht, vollständig oder nur teilweise ausgeblendet werden kann.
Statt der in 8 dargestellten LCD-Shutter kann die Farbeinstelleinrichtung auch mechanische Blenden zum Ein- bzw. Ausblenden der Leuchtintensität eine Leuchtfläche oder einer Leuchtflächengruppe aufweisen.
In allen Ausführungsbeispielen können die verwendeten Linsenfelder mit den funktionalen Einzellinsen, seien es Kollektorlinsenfelder oder Kondensorlinsenfelder, grundsätzlich einstückig ausgeführt sein oder aus tatsächlichen Einzellinsen zusammengesetzt sein. Falls ein Linsenfeld einstückig ausgebildet ist, kann es als Freiformfläche durch Blankpressen von optischem Glas, z. B. Glas der Spezifikation B 270, durch Heißprägen von optischem Glas oder von Kunststoffen, z. B. von Polycarbonat, oder durch Spritzgießen von Kunststoffen hergestellt werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, jede Einzellinse individuell durch Blankpressen, Heißprägen, Spritzgießen oder Polieren herzustellen und die Einzellinsen anschließend auf polygonale Aperturen, beispielsweise die in 2 dargestellten quadratischen Aperturen oder die in 6 dargestellten hexagonalen Aperturen, zuzuschneiden. Anschließend kann das Linsenfeld aus Einzellinsen aufgebaut werden. Gegenüber dieser Variante, in der insbesondere das Polieren eine besonders hohe optische Abbildungsqualität ermöglicht, bietet die Herstellung des Linsenfeldes als integrale Freiformfläche den Vorteil, dass sie gegenüber der Fertigung als Einzellinsen kostengünstiger ist. Unabhängig von der Art der Herstellung des Linsenfeldes kann diese einseitig oder beidseitig mit einer Antireflexbeschichtung versehen sein, um Lichtverluste durch Reflexionen zu vermeiden.
Die erfindungsgemäße Lichtquelle eignet sich insbesondere als Lichtquelle für optische Beobachtungsgeräte und hierbei besonders für medizinisch-optische Beobachtungsgeräte, bei denen der Lichtfarbe eine besonders hohe Bedeutung zukommt, insbesondere im Falle von Weißlicht. Wenn der verwendete Lichtwellenleiter 11 eine numerische Apertur im Bereich von 0,5 bis 0,6 aufweist, kann die erfindungsgemäße Lichtquelle in einem Operationsmikroskop eine übliche Halogenlichtquelle oder Xenonlichtquelle ersetzen. Das Nachrüsten eines bestehenden Operationsmikroskops mit der erfindungsgemäßen Lichtquelle wird dabei besonders einfach möglich. Es sei an dieser Stelle aber erwähnt, dass numerische Aperturen über 0,6 das Einkoppeln einer größeren Lichtmenge in den Lichtwellenleiter ermöglichen und somit die Helligkeit der erfindungsgemäßen Lichtquelle gesteigert werden kann. Das Nachrüsten eines bestehenden, mit einer Halogenlichtquelle oder einer Xenonlichtquelle ausgestatteten Operationsmikroskops mit einer erfindungsgemäßen Lichtquelle erfordert dann jedoch zusätzlich optische Komponenten, um die numerische Apertur anzupassen.
Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Lichtquelle in einem Operationsmikroskop bietet mehrere Vorteile gegenüber der Verwendung herkömmlicher Xenonlichtquellen oder Halogenlichtquellen. Zum einen ist die Lebensdauer von Leuchtdioden deutlich höher als diejenige einer Halogenlichtquelle oder einer Xenonlichtquelle. Das Austauschen der Lichtquelle ist dann weiniger häufig notwendig, als bei Verwendung einer herkömmlichen Lichtquelle. Weiterhin produziert die erfindungsgemäße Lichtquelle weniger Wärme als eine Halogenlichtquelle oder eine Xenonlichtquelle, so dass die Kühlung der Lichtquelle weniger aufwendig als bisher ausgestaltet sein muss. Dadurch können Vibrationen durch die Kühlung der Lichtquelle verringert werden, was wiederum den Aufwand für die Schwingungsdämpfung im Stativ bzw. der Halterung des Mikroskops verringert.
Ein an einem Stativ befestigtes Operationsmikroskop wird nachfolgend mit Bezug auf 9 als ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes optisches Beobachtungsgerät beschrieben. Das Stativ 101 ruht auf einem Stativfuß 105, an dessen Unterseite Rollen 106 vorhanden sind, die ein Verfahren des Stativs 101 ermöglichen. Um ein ungewolltes Verfahren des Stativs 101 zu verhindern, besitzt der Stativfuß 105 außerdem eine Fußbremse 107. Das eigentliche Stativ 101 umfasst als Stativglieder eine höhenverstellbare Stativsäule 108, einen Tragarm 109, einen Federarm 110, und eine Mikroskopaufhängung 111, welche ihrerseits ein Verbindungselement 113, einen Schwenkarm 115 und einen Haltearm 114 umfasst. Das Operationsmikroskop 103 ist mittels einer nicht dargestellten Mikroskophalterung am Haltearm 114 befestigt.
Am Stativ 101 sind außerdem ein Lichtquellengehäuse 116 sowie ein Netzanschlussgerät und ein Bedienelement 117 für elektrische Komponenten des Mikroskops 103 und ggf. des Stativs 101 angeordnet. Im Lichtquellengehäuse 116 sind das Halbleiterlichtquellenfeld, die Linsenkombination und das Eingangsende des Lichtwellenleiters einer erfindungsgemäßen Lichtquelle angeordnet. Der Lichtleiter ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch das Innere des Federarms 110 und der Mikroskopaufhängung 111 zum Operationsmikroskop 103 geführt, in dem das Ausgangsende des Lichtleiters als Lichtquelle zur Objektbeleuchtung dient. Statt durch das Innere des Federarms 110 und der Mikroskopaufhängung 111 kann der Lichtleiter auch an der Außenseite des Federarms 110 und der Mikroskopaufhängung 111 zum Operationsmikroskop 103 geführt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2003/0042493 A1 [0004, 0004]

Claims

Lichtquelle mit: – einer Anzahl von in einem Halbleiterlichtquellenfeld (1, 25, 37) angeordneten, jeweils eine Leuchtfläche (15) definierenden Halbleiterlichtquellen (3), – einem Lichtwellenleiter (11) mit einem Eingangsende (23) und einem Ausgangsende (24), – einer zwischen dem Halbleiterlichtquellenfeld (1, 25, 37) und dem Eingangsende (23) des Lichtwellenleiters (11) angeordneten Linsenkombination (5, 27), die ein Kollektorlinsenfeld (7) mit einer Anzahl von Kollektoreinzellinsen (19) sowie eine Kondensorlinse (9, 29) aufweist, wobei die Kondensorlinse (9, 29) zwischen dem Kollektorlinsenfeld (7) und dem Eingangsende (23) des Lichtwellenleiters (11) angeordnet ist und die optischen Flächen (8, 10, 20, 22, 33, 35) der Kollektoreinzellinsen (19) und der Kondensorlinse (9, 29) so in Bezug aufeinander gestaltet sind, dass die Kollektoreinzellinsen (19) des Kollektorlinsenfelds (7) zusammen mit der Kondensorlinse (9, 29) die durch die Halbleiterlichtquellen (3) definierten Leuchtflächen (15) auf das Eintrittsende (23) des Lichtwellenleiters (11) abbilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterlichtquellenfeld (1, 25, 37) wenigstens zwei Leuchtflächen (15) umfasst, die mit unterschiedlichen Wellenlängen von der Linsenkombination (5, 27) überlagert auf das Eintrittsende (23) des Lichtwellenleiters (11) abgebildet werden.
Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterlichtquellenfeld (1, 25, 37) wenigstens drei Leuchtflächen (15) umfasst, die mit unterschiedlichen Wellenlängen von der Linsenkombination (5, 27) überlagert auf das Eintrittsende (23) des Lichtwellenleiters (11) abgebildet werden.
Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass, mit unterschiedlichen Wellenlängen emittierende Leuchtflächen (15) vorhanden sind.
Lichtquelle nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Leuchtflächengruppen (15A–15K) die jeweils alle mit derselben Wellenlänge emittierende Leuchtflächen (15) beinhalten und die räumlich getrennt voneinander angeordnet sind.
Lichtquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtflächengruppen (15A–15K) in Umfangsrichtung des Halbleiterlichtquellenfeldes (1, 25, 37) verteilte Sektoren bilden.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterlichtquellenfeld (1, 25, 37) wenigstens vier mit unterschiedlichen Wellenlängen emittierende Leuchtflächen (15) umfasst, die überlagert auf das Eintrittsende (23) des Lichtwellenleiters (11) abgebildet werden.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kollektorlinsenfeld (7) so viele Kollektoreinzellinsen umfasst, wie Leuchtfelder (15) im Halbleiterlichtquellenfeld (1, 25, 37) vorhanden sind.
Lichtquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das die Leuchtflächen (15) im Halbleiterlichtquellenfeld (1, 25, 37) an den Gitterstellen eines regelmäßigen polygonalen Gitters angeordnet sind und die Kollektoreinzellinsen (19) des Kollektorlinsenfeldes (7) an den Gitterstellen eines regelmäßigen polygonalen Gitters angeordnet sind, das dem Gitter der Leuchtflächen (15) im Halbleiterlichtquellenfeld (1, 25, 37) entspricht.
Lichtquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kollektorlinsenfeld (7) Kollektoreinzellinsen (19) mit polygonaler Apertur (17, 39) aufweist.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das die Kollektoreinzellinsen (19) jeweils eine plane oder eine sphärische optische Fläche (10) und eine asphärische optische Fläche (8) aufweisen.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kollektorlinsenfeld (7) wenigstens einseitig eine Antireflex-Beschichtung aufweist.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das die Kondensorlinse (9, 29) wenigstens eine plane (22, 35) und eine asphärisch gekrümmte optische Fläche (20, 33) aufweist.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das die Kondensorlinse als ein Kondensorlinsenfeld (29) mit einer Anzahl von Kondensoreinzellinsen (31) ausgebildet ist.
Lichtquelle nach Anspruch 13 und einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kollektoreinzellinsen (19) im Kollektorlinsenfeld (7) gleich der Anzahl der Kondensoreinzellinsen (31) im Kondensorlinsenfeld (29) ist und die Kondensoreinzellinsen (31) an den Gitterstellen eines regelmäßigen polygonalen Gitters angeordnet sind, das dem Gitter der Leuchtflächen (15) im Halbleiterlichtquellenfeld (1, 25, 37) entspricht.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (11) ein Faserbündel mit einer Anzahl von Lichtleitfasern, die jeweils einen am Eintrittsende (23) des Lichtwellenleiters (11) angerodneten Fasereingang und einen am Austrittsende (24) des Lichtwellenleiters (11) angeordneten Faserausgang aufweisen, ist und dass die Orte der Faserausgänge am Ausgangsende (24) des Lichtwellenleiters (11) im Bezug auf die Fasereingänge am Eingangsende (23) des Lichtwellenleiters (11) statistisch verteilt sind.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (11) eine numerische Apertur von mindestens 0,5 besitzt.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine auf individuelle Leuchtflächen (15) oder Leuchtflächengruppen (15A–15K) zum Einstellen der Leuchtintensität einwirkenden Farbeinstelleinrichtung (41, 47).
Lichtquelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbeinstelleinrichtung (41) mehrere elektrische Ansteuerungen umfasst, wobei zumindest jeder Leuchtflächengruppe (15G–15K) eine eigene elektrische Ansteuerung zugeordnet ist.
Lichtquelle nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Ansteuerungen mindestens eine Pulsweitenmodulationseinheit (41) umfasst.
Lichtquelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbeinstelleirichtung (47) Abschwächungs- und/oder Abschattungselemente (51) umfasst, welche die Abschwächung bzw. Abschattung der Leuchtintensität individueller Leuchtflächen (15) oder Leuchtflächengruppen (15G–15K) ermöglicht.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Farbfilter (13) vorhanden ist, der zwischen die Linsenkombination (5, 27) und das Eingangsende (23) des Lichtwelleneiters (11) einbringbar ist.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Linsenkombination (5) und dem Eingangsende (23) des Lichtwelleneiters (11) ein Konverterelement (26) mit wenigstens einem Konverterleuchtstoff zum wenigstens teilweisen Umwandeln einer ersten Wellenlänge in eine zweite Wellenlänge angeordnet ist.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoreinzellinsen (19) und/oder die Kondensoreinzellinsen (31) funktionale Abschnitte eines einstückig ausgebildeten Kollektorlinsenfeldes (7) bzw. eines einstückig ausgebildeten Kondensorlinsenfeldes (29) sind.
Lichtquelle nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Kollektorlinsenfeld (7) ein blankgepresster oder heißgeprägter Glaskörper oder ein spritzgegossener oder heißgeprägter Kunststoffkörper ist und/oder das Kondensorlinsenfeld (29) ein blankgepresster oder heißgeprägter Glaskörper oder ein spritzgegossener oder heißgeprägter Kunststoffkörper ist.
Optisches Beobachtungsgerät (103) mit einer Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 24.