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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
ungleichmäßige azimutale Verteilung der Lichtfarben
ist hierbei nicht störend, da eine Mischung über
den Azimutwinkel durch die Mehrfachreflexion im Lichtwellenleiter
erfolgt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Lichtquelle in einer geschnittenen
Seitenansicht.
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2 zeigt
das Halbleiterlichtquellenfeld der Lichtquelle aus 1.
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3 zeigt
eine alternative Ausgestaltung des Halbleiterlichtquellenfeldes
der Lichtquelle aus 1.
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4 zeigt
eine Abwandlung der Lichtquelle ais 1.
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5 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße
Lichtquelle in einer geschnittenen Seitenansicht.
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6 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Lichtquelle in einer Ansicht auf das Halbleiterlichtquellenfeld.
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7 zeigt
eine Farbeinstelleinrichtung zum Einstellen der Farbe der in 5 dargestellten
Lichtquelle in Form eines Blockdiagramms.
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8 zeigt
eine alternative Farbeinstelleinrichtung zum Einstellen der Farbe
der in 6 dargestellten Lichtquelle in Form eines Blockdiagramms.
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9 zeigt
ein erfindungsgemäßes Operationsmikroskopsystem.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2003/0042493
A1 [0004, 0004]