DE102013219815A1

DE102013219815A1 - Beleuchtungseinrichtung für ein Operationsmikroskop

Info

Publication number: DE102013219815A1
Application number: DE201310219815
Authority: DE
Inventors: Peter Reimer; Stefan Meinkuß
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung 10, 40, 100, 200 für ein Operationsmikroskop, mit einer Weißlichtquelle 1, 21 zur Erzeugung von Beleuchtungslicht und mit einem optischen System 24, 25 zur Führung des Beleuchtungslichts in einem Beleuchtungsstrahlengang von der Weißlichtquelle 1, 21 zu einer Beleuchtungsebene. Erfindungsgemäß ist in dem Beleuchtungsstrahlengang 3, 23 ein um eine Drehachse 7, 27 drehbarer dichroitischer Strahlteiler 4, 26 angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für ein Operationsmikroskop mit einer Weißlichtquelle zur Erzeugung von Beleuchtungslicht und mit einem optischen System zur Führung des Beleuchtungslichts in einem Beleuchtungsstrahlengang von der Weißlichtquelle zu einer Beleuchtungsebene.
Ein von einer Beobachtungsperson wahrgenommener Farbeindruck eines Beobachtungsbildes, das er durch ein Operationsmikroskop betrachtet, ist von der spektralen Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts abhängig. Die Auswirkung des Beleuchtungslichts auf den Farbeindruck lässt sich mittels eines Farbwiedergabeindex quantifizieren. Ein solcher Farbwiedergabeindex kann z. B. anhand des auf der S. 317 in E. Fred Schubert, Light Emitting Diodes, Cambridge University Press, Second Edition 2006 angegebenen Formelausdrucks 19.9 berechnet werden. Dieser Farbwiedergabeindex ist ein Zahlenwert und ein Maß für die Farbtreue einer mit der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten normierten Farbtafel im Vergleich zu einer Lichtquelle in Form eines thermischen Schwarzkörperstrahlers. Sonnenlicht als Referenzlicht weist einen Farbwiedergabeindex von 100 auf. Der Farbwiedergabeindex ist dabei nicht von einer bestimmten Farbtemperatur des Schwarzkörperstrahlers abhängig. Jede Lichtquelle, die das Spektrum eines schwarzen Strahlers mit einer bestimmten Farbtemperatur im Bereich der sichtbaren Wellenlängen perfekt nachbildet, erreicht einen Farbwiedergabeindex von 100.
Beleuchtungslicht mit einem hohen, dem Sonnenlicht angenäherten Farbwiedergabeindex ist bei medizinisch-optischen Beobachtungsgeräten wünschenswert, damit Ärzte insbesondere anhand des roten Farbtons unterschiedliche Gewebearten oder Gewebezustände (zum Beispiel krankes und gesundes Gewebe) unterscheiden können.
In Operationsmikroskopen werden seit langem Halogen- oder Xenonlichtquellen zur Beleuchtung eines Operationsfelds eingesetzt, die einen bestimmten Farbeindruck bei einem Beobachter hervorrufen.
Anwender von Operationsmikroskopen, die jahrelang mit Halogen- oder Xenonlichtquellen gearbeitet haben, sind an den durch diese bekannten Lichtquellen erzeugten Farbeindruck gewohnt. Der Farbeindruck spielt eine wesentliche Rolle bei der Betrachtung eines beleuchteten Gewebes. Vor allem in der Neuro- und Ophthalmo-Chirurgie ist der Farbeindruck, der von der Lichtquelle bei der Betrachtung eines beleuchteten Gewebes hervorgerufen wird, von besonderer Bedeutung.
Halogen- und Xenonlichtquellen sind jedoch relativ teuer und verfügen nur über eine begrenzte Lebensdauer. Darüber hinaus müssen sie in der Regel aufwändig gekühlt werden. In jüngster Zeit kommen daher zunehmend LED-Lichtquellen in Operationsmikroskopen zum Einsatz, die im Vergleich zu den bekannten Halogen- und Xenonlichtquellen kostengünstiger sind und eine längere Lebensdauer aufweisen. LED-Lichtquellen weisen jedoch eine andere spektrale Intensitätsverteilung und eine andere Farbtemperatur als Halogen- und Xenonlichtquellen auf, so dass ein anderer Farbeindruck entsteht. Um die Akzeptanz von LED-Lichtquellen in Operationsmikroskopen zu erhöhen, besteht ein Bedarf, eine Farbtemperatur einer Beleuchtungseinrichtung mit einer LED-Lichtquelle an die Farbtemperatur bekannter Beleuchtungseinrichtungen wie Halogen- oder Xenonlichtquellen anzugleichen.
Aus der DE 10 2010 042 200 A1 ist eine Beleuchtungseinrichtung für ein Operationsmikroskop bekannt, die eine erste Weißlicht-LED und eine zweite Weißlicht-LED umfasst, welche zur Erzeugung von Weißlicht mit unterschiedlichen Farbtemperaturen ausgelegt sind. Durch Zusammenmischen von Beleuchtungslicht aus beiden Lichtquellen können unterschiedliche Farbtemperaturen im resultieren Beleuchtungslichtstrahl erzeugt werden. Das Zusammenmischen des Beleuchtungslichts erfordert jedoch einen großen technischen Aufwand.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungslichtquelle für ein Operationsmikroskop bereitzustellen, bei der auf einfache Art und Weise unterschiedliche Farbtemperaturen eingestellt werden können.
Die Aufgabe wird durch eine Beleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist in dem Beleuchtungsstrahlengang ein um eine Drehachse drehbarer dichroitischer Strahlteiler angeordnet. Durch eine Variation des Inzidenzwinkels des von der Weißlichtquelle abgegebenen Beleuchtungslichts auf den dichroitischen Strahlteiler ist es möglich, eine Farbtemperatur des weißen Beleuchtungslicht auf einfache Weise zu variieren und unterschiedliche Farbeindrücke insbesondere von kaltem weißen Licht mit hohem Blauanteil bis hin zu warmen weißen Licht mit hohem Rot- beziehungsweise Gelbanteil zu erzeugen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Beleuchtungsstrahlengang zumindest teilweise als paralleler Strahlengang ausgebildet und der dichroitische Strahlteiler ist in dem parallelen Strahlengang angeordnet. Die Anordnung des dichroitischen Strahlteilers in einem parallelen, nicht-divergente Teil des Beleuchtungsstrahlengangs erleichtert die Auslegung des optischen Systems, da das Licht des Beleuchtungsstrahlengangs bei einer Drehung des dichroitischen Strahlteilers über den Querschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs hinweg gleich beeinflusst wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Drehwinkel des dichroitischen Strahlteilers um die Drehachse stufenlos veränderbar. Damit ist eine besonders feinfühlige Einstellung der Farbtemperatur ermöglicht.
In Ausgestaltungen der Erfindung umfasst die Weißlichtquelle eine Weißlicht-LED und/oder eine durch einen Laser angeregte Lichtquelle, insbesondere eine laserangeregte Solid-State-Lichtquelle. Die typischen spektralen Intensitätsverteilungen dieser Lichtquellen sind in Kombination mit einem drehbar im Beleuchtungsstrahlengang angeordneten dichroitischen Strahlteilers besonders zur Erzeugung von Weißlicht unterschiedlicher Farbtemperatur geeignet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das optische System eine erste Sammellinse und eine zweite Sammellinse, die benachbart zueinander angeordnet sind und zwischen denen ein paralleler Strahlengang ausgebildet ist, in dem der dichroitische Strahlteiler angeordnet ist. Diese Ausgestaltungsform ist besonders für einen Einsatz im Zusammenspiel mit einer divergenten Lichtquelle geeignet, deren Beleuchtungslicht durch die erste Sammellinse kollimiert und in einen parallelen Beleuchtungsstrahlengang überführt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist im Beleuchtungsstrahlengang ein CRI-Filter angeordnet. Mit Hilfe dieses Filters lässt sich ein höherer Farbwiedergabeindex erzielen und damit der Farbeindruck, den die Beleuchtungseinrichtung hervorruft, verbessern.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der dichroitische Strahlteiler derart ausgeführt, dass er bei einem Lichteinfall von 45° zu einer Normalen auf seine Oberfläche folgende Durchlasscharakteristik aufweist:

– einen Durchlassbereich mit einer linken Flanke bei einer ersten Wellenlänge λ1 und mit einer rechten Flanke bei einer zweiten Wellenlänge λ2 und mit einem mittleren Transmissionsgrad T1 zwischen der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge λ2;
– einen ersten Sperrbereich bis zu der ersten Wellenlänge λ1 mit einem maximalen Transmissionsgrad T2; und
– einen zweiten Sperrbereich ab der Wellenlänge λ2 mit einem maximalen Transmissionsgrad T3;

410 nm < λ1 < 460 nm;

700 nm < λ2 < 850 nm;

T2/T1 < 0,2

T3/T1 < 0,2.

Der mittlere Transmissionsgrad zwischen zwei Wellenlängen kann beispielsweise durch Integration des wellenlängenabhängigen Transmissionsgrads über die Wellenlänge von der ersten Wellenlänge bis zur zweiten Wellenlänge und Division durch die Differenz zwischen der zweiten Wellenlänge und der ersten Wellenlänge berechnet werden.
In dieser Ausgestaltungsform der Erfindung ist es möglich, den im parallelen Beleuchtungsstrahlengang angeordneten dichroitischen Strahlteiler auch zur Einkopplung von Beleuchtungslicht einer oder mehrerer anderer Lichtquellen mit Wellenlängen oberhalb der zweiten Wellenlänge oder unterhalb der ersten Wellenlänge in den Beleuchtungsstrahlengang zu verwenden. Insbesondere kann mit einem derart ausgestalteten dichroitischen Strahlteiler auch Licht in einem Wellenlängenbereich eingekoppelt werden, der zur Anregung einer Fluoreszenz geeignet ist, ohne den visuellen Farbeindruck, der durch das Beleuchtungslicht aus der Weißlichtquelle bestimmt ist, wesentlich zu beeinträchtigen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden in Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen erklärt, in welchen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung;
3 eine schematische Darstellung der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung;
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung;
5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung;
6 ein Diagramm, dass den Transmissionsgrad des dichroitischen Strahlteilers bei verschiedenen Wellenlängen darstellt.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung.
Eine schematisch dargestellte Beleuchtungseinrichtung 10 weist eine Beleuchtungslichtquelle 1 auf, die Beleuchtungslicht in einem Beleuchtungsstrahlengang entlang einer optischen Achse 2 abstrahlt, welche parallel zur X-Achse eines in 1 dargestellten Referenzkoordinatensystems ausgerichtet ist. Zumindest ein Teil des Beleuchtungsstrahlengangs ist in diesem Ausführungsbeispiel als paralleler Strahlengang 3 ausgebildet. Unter einem parallelen Strahlengang 3 wird im Zusammenhang mit dieser Erfindung ein zur optischen Achse 2 im Wesentlichen parallel ausgebildetes Strahlenbündel verstanden. Das Strahlenbündel 3 kann dabei auch in einem kleinen Winkel von bis zu +/–10° in Bezug auf die optische Achse 2 konvergieren oder divergieren. Dies gilt auch für alle folgenden Ausführungsbeispiele.
In dem parallelen Strahlengang 3 ist ein dichroitischer Strahlteiler 4 angeordnet, der um eine senkrecht zur optischen Achse 2 und parallel zu einer Y-Achse des Referenzkoordinatensystems angeordneten Drehachse 7 drehbar gelagert ist. Ein Drehwinkel des dichroitischen Strahlteilers 4 um die Drehachse 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel stufenlos veränderbar.
In 1 ist der dichroitische Strahlteiler 4 in einer ersten Position 5 parallel zur Y/Z-Ebene des Referenzkoordinatensystems dargestellt. In der ersten Position 5 schließt der dichroitische Strahlteiler 4 mit der optischen Achse 2 einen Winkel von α1 = 90° ein. Ein Schichtdesign des dichroitischen Filters 4 ist derart ausgelegt, dass das von der Beleuchtungslichtquelle 1 abgestrahlte Beleuchtungslicht bei Austritt aus dem dichroitischen Strahlteiler 4 eine Farbtemperatur im warmweißen Bereich (4000 K) aufweist. Bei einer Drehung des dichroitischen Strahlteilers 4 um die Drehachse 7 in eine zweite Position 6 schließt der dichroitische Strahlteiler 4 mit der optischen Achse 2 einen Winkel von α2 = 45° ein. In dieser zweiten Position 6 weist das aus dem dichroitischen Strahlteiler austretende Beleuchtungslicht eine Farbtemperatur im kaltweißen Bereich (5500 K) auf. Durch eine stufenlose Drehung des dichroitischen Filters 4 zwischen der ersten Position 5 und der zweiten Position 6 kann somit Beleuchtungslicht mit Farbtemperaturen zwischen 4000 K und 5500 K erzeugt werden.
Das Schichtdesign des dichroitischen Strahlteiler 4 kann alternativ auch derart ausgelegt sein, dass der aus dem dichroitischen Strahlteiler 4 austretende Beleuchtungsstrahl in der ersten Position 5 eine kaltweiße (5500 K) und in der zweiten Position 6 warmweiße (4000 K) Farbtemperatur aufweist.
Mit Hilfe der Beleuchtungseinrichtung 10 ist Beleuchtungslicht für einen nicht dargestellten Objektbereich eines Mikroskops bereitgestellt. Das Licht der Beleuchtungslichtquelle 1 wird im weiteren Verlauf nach Durchlaufen einer Beleuchtungsebene 8 durch eine nicht näher dargestellte Beleuchtungsoptik, die eine oder mehrere Linsen, Blenden, Umlenkelemente oder Lichtleitfasern aufweisen kann, zu dem Objektbereich geleitet. Das Licht kann dabei durch das Hauptobjektiv eines Operationsmikroskops oder an dem Hauptobjektiv vorbei zu dem Objektbereich geführt sein.
Die Beleuchtungslichtquelle 1 kann als Weißlicht-LED, als laserangeregte Solid-State-Lichtquelle, als Entladungslampenlichtquelle oder als klassische Xenon-Lichtquelle oder Halogenlichtquelle ausgeführt sein. Die Beleuchtungslichtquelle 1 kann ein Optik aufweisen, um den parallelen Strahlengang 3 auszubilden. Diese Optik kann eine Linse, eine Lichtleitfaser oder einen Lichtleitstab aufweisen. Ein Lichtleitstab kann als Stabintegrator oder Homogenisierer ausgebildet sein.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Drehachse 7 unter einem Winkel zur optischen Achse 2 angeordnet. In wiederum einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Drehachse 7 außerhalt des Strahlenbündels 3 angeordnet.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der dichroitische Strahlteiler 4 in einem Winkelbereich 9 zwischen α1 = 90° und α2 = 45° bezüglich der optischen Achse 2 positioniert werden. Es ist auch vorstellbar, die Lagerung des dichroitischen Strahlteilers derart auszuführen, dass ein Winkelbereich 9 zwischen α1 = 90° und α2 = 30°, bzw. zwischen α1 = 90° und α2 = 10° oder zwischen α1 = 170° und α2 = 90° einstellbar ist. Abhängig von der Art der Beleuchtungslichtquelle 1 und dem jeweiligen Anwendungsbereich der Beleuchtungseinrichtung 10 sind unterschiedliche Winkelbereiche 9 vorstellbar.
Es ist auch vorstellbar, dass die Winkeleinstellung in diskreten Stufen rastbar vorgenommen werden kann. Vorteilhaft können so bestimmte Farbtemperaturen sehr einfach reproduzierbar eingestellt werden.
Die Winkeleinstellung des dichroitischen Strahlteilers 4 kann manuell, beispielsweise mechanisch mit Hilfe eines Einstellknopfes, oder motorisch angetrieben erfolgen. Es ist auch vorstellbar, die Farbtemperatur mittels eines nicht dargestellten Sensor zu messen und den Messwert zur automatisierten Einstellung des Drehwinkels des dichroitischen Strahlteilers zu nutzen.
Bei einem motorischen Antrieb des dichroitischen Strahlteilers 4 kann eine Einstellung über ein Potentiometer, über Drucktasten oder mittels eines Softwaremenüs, beispielsweise über einen berührungssensitiven Bildschirm, erfolgen. Der motorische Antrieb bietet zudem die Möglichkeit, die Farbtemperatur automatisch an bestimmte Einsatzbedingungen, an einen Betriebsmodus oder Anwendervorlieben anzupassen. Ein motorischer Antrieb kann beispielsweise durch einen Schrittmotor erfolgen. Die beschriebenen Antriebs- und Einstellmöglichkeiten des dichroitischen Strahlteilers 4 gelten auch für alle folgenden Ausführungsbeispiele.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung.
Eine schematisch dargestellte Beleuchtungseinrichtung 20 weist eine Beleuchtungslichtquelle 21 auf, die Beleuchtungslicht einem Beleuchtungsstrahlengang entlang einer optischen Achse 22 abstrahlt, welche parallel zur X-Achse eines in 2 dargestellten Referenzkoordinatensystems ausgerichtet ist. Entlang der optischen Achse 22 sind eine erste Sammellinse 24 und eine zweite Sammellinse 25 angeordnet. Durch die erste Sammellinse 24 wird das aus der Beleuchtungslichtquelle 21 austretende Beleuchtungslicht in einen parallelen Strahlengang 23 überführt. Durch die Sammellinse 25 wird der parallele Strahlengang 23 zu einer Beleuchtungsebene 28 geführt.
In dem parallelen Strahlengang 23 ist ein dichroitischer Strahlteiler 26 eingebracht, der um eine Drehachse 27 drehbar gelagert ist. Der dichroitische Strahlteiler 26 kann stufenlos in einem Winkelbereich 29 um die Drehachse 27 verstellt werden.
In 2 ist der dichroitische Strahlteiler 26 in einer ersten Position 30 dargestellt, die parallel zu einer Y/Z-Ebene des Referenzkoordinatensystems ausgerichtet ist. In der ersten Position 30 schließt der dichroitische Strahlteiler 26 mit der optischen Achse 22 einen Winkel von β1 = 90° ein. Bei einer Drehung des dichroitischen Strahlteilers 26 um die Drehachse 27 in eine zweite Position 31 schließt der dichroitische Strahlteiler 26 mit der optischen Achse 22 einen Winkel von β2 = 45° ein.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der dichroitische Strahlteiler 4 in einem Winkelbereich 29 zwischen β1 = 90° und β2 = 45° bezüglich der optischen Achse 2 positioniert werden. Es ist auch vorstellbar, die Lagerung des dichroitischen Strahlteilers 4 derart auszuführen, dass ein Winkelbereich 29 zwischen β1 = 90° und β2 = 30°, bzw. zwischen β1 = 90° und β2 = 10° oder zwischen β1 = 170° und β2 = 90° einstellbar ist. Abhängig von der Art der Beleuchtungslichtquelle 21 und dem jeweiligen Anwendungsbereich der Beleuchtungseinrichtung 20 sind verschiedene Winkelbereiche 29 vorstellbar.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist der dichroitische Strahlteiler 26 im divergenten Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinrichtung 21 und der ersten Sammellinse 24 eingebracht. Alternativ ist eine Anordnung des dichroitischen Strahlteilers 26 im konvergenten Strahlengang zwischen der zweiten Sammellinse 25 und der Beleuchtungsebene 28 möglich. Bei einer Positionierung des dichroitischen Strahlteilers im konvergenten oder divergenten Strahlengang kann das optische System derart ausgebildet sein, dass lediglich eine einzige Sammellinse zwischen der Beleuchtungslichtquelle 21 und der Beleuchtungsebene 28 angeordnet ist. Diese Ausführungsform bietet einen Vorteil bei besonders beengten Platzverhältnissen.
Die in 2 gezeigten Elemente sind auch in den folgenden Ausführungsbeispielen dargestellt und figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung.
Die Beleuchtungseinrichtung 40 gemäß 3 weist die gleichen optischen Elemente auf wie die Beleuchtungseinrichtung gemäß 2. Zusätzlich ist die Beleuchtungslichtquelle 21 in dem Ausführungsbeispielspiel gemäß 3 als Weißlicht-LED ausgeführt und auf einem Kühlkörper 29 angeordnet. In der Beleuchtungsebene 28 ist ein erster Lichtleiter 45 angeordnet, durch den das Beleuchtungslicht zu einem schematisch darstellten Operationsmikroskop 46 geleitet ist. Alternativ kann anstatt des Lichtleiters 45 auch eine Beleuchtungsoptik vorgesehen sein, die eine oder mehrere Linsen, Blenden oder Umlenkelemente aufweisen kann.
Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen dadurch, dass zusätzlich ein Farbwiedergabeindex-Filter (CRI-Filter) im Beleuchtungsstrahlengang eingebracht ist. Der CRI-Filter hat den Vorteil, dass zusätzlich zu einer Veränderung der Farbtemperatur auch der Farbwiedergabeindex der LED-Weißlichtquelle verbessert werden kann.
Der CRI-Filter kann an verschiedenen Stellen im Beleuchtungsstrahlengang angeordnet sein. In einem Ausführungsbeispiel ist er an einer ersten Position 41 im divergenten Strahlengang zwischen der Beleuchtungslichtquelle 21 und der ersten Sammellinse 24 positioniert. Ebenso ist die Anordnung des CRI-Filters an einer zweiten Position 42 im parallelen Strahlenbündel 33 zwischen der ersten Sammellinse 24 und dem dichroitischen Strahlteiler 26 möglich. Eine dritte Position 43 für den CRI-Filter ist im parallelen Strahlenbündel 33 zwischen dem dichroitischen Strahlteiler 26 und der zweiten Sammellinse 25 gegeben. Alternativ kann der CRI-Filter auch an einer vierten Position 44 zwischen der zweiten Sammellinse 25 und der Beleuchtungsebene 28 in den konvergenten Strahlengang eingebracht sein.
Die Position des CRI-Filters richtet sich nach den konstruktiven Gegebenheiten und Platzverhältnissen der Beleuchtungseinrichtung. Bevorzugt wird der CRI-Filter an der zweiten Position 42 oder der dritten Position 43 im parallelen Strahlenbündel 33 zwischen der ersten Sammellinse 24 und der zweiten Sammellinse 25 angeordnet. Vorteilhaft kann eine Filterstruktur des CRI-Filters für die definierten Verhältnisse im parallelen Strahlengang einfacher berechnet werden. Durch den CRI-Filter wird der Farbwiedergabeindex und der Farbeindruck des Beleuchtungslichts zusätzlich verbessert.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungseiririchtung.
Eine schematisch dargestellte Beleuchtungseinrichtung 100 unterscheidet sich von den Beleuchtungseinrichtungen gemäß den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dadurch, dass Licht einer ersten Zusatzlichtquelle 101 in einen bevorzugt parallelen Strahlengang 23 der Beleuchtungslichtquelle 21 eingekoppelt werden kann.
Dazu befindet sich der dichroitische Strahlteiler 26 in einer definierten Position, in der er einen Winkel β1 = 135° zur optischen Achse 112 einschließt. Das Licht der ersten Zusatzlichtquelle 101 wird dabei in einen zweiten Lichtleiter 102 eingekoppelt. Das Austrittsende des zweiten Lichtleiters 102 ist in einem rechten Winkel zur optischen Achse 22 und damit parallel zu einer Z-Achse des Referenzkoordinatensystems angeordnet. Das aus dem zweiten Lichtleiter 102 austretende Licht 103 trifft auf den dichroitischen Strahlteiler 26 und wird derart umgelenkt, dass eine Einkopplung in den parallelen Strahlengang 23 erfolgt. Das in der Beleuchtungsebene 28 in den zweiten Lichtleiter 45 eingekoppelte Beleuchtungslicht umfasst den Spektralbereich der Beleuchtungslichtquelle 21, dessen Farbtemperatur durch den dichroitischen Strahlteiler 26 auf einen bestimmten Wert eingestellt ist, und den Spektralbereich der ersten zusätzlichen Lichtquelle 101.
Das Frequenzspektrum der ersten Zusatzlichtquelle 101 kann eine Fluoreszenzwellenlänge mit einer Wellenlänge von beispielsweise 405 nm aufweisen. Alternativ kann die erste Zusatzlichtquelle 101 auch eine Infrarotlichtquelle mit einer Wellenlänge von beispielsweise 800 nm umfassen. Es ist auch vorstellbar, durch eine Verstelleinrichtung 105 wahlweise eine zweite Zusatzlichtquelle 104 am Ort der ersten Zusatzlichtquelle 101 zu positionieren. In diesem Fall kann zwischen der ersten Zusatzlichtquelle 101, die eine Fluoreszenzwellenlänge abstrahlt und der zweiten Zusatzlichtquelle 104, die eine Infrarotwellenlänge abstrahlt, umgeschaltet werden. Es sei festgehalten, dass auch eine Infrarotwellenlänge zur Anregung einer Fluoreszenz geeignet sein kann.
Die Ausstattung der ersten und/oder der zweiten Zusatzlichtquelle mit einem zweiten Lichtleiter 102 ist optional. Es ist auch vorstellbar, dass das Licht der ersten Zusatzlichtquelle 101 und/oder der zweiten Zusatzlichquelle 104 mittels geeigneter optischer Elemente direkt auf den dichroitischen Strahlteiler 26 geleitet wird.
Eine Einkopplung des Lichts der Zusatzlichtquelle in den parallelen Strahlengang ist nur in einem eng begrenzten Winkelbereich des dichroitischen Strahlteilers möglich. Durch die Winkelbegrenzung kann eine Farbtemperatur der Beleuchtungslichtquelle 21 in einem engen Bereich verändert werden. Die Oberflächenstruktur des dichroitischen Strahlteilers 26 ist in diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt so ausgeführt, dass eine besonders gute Transmission des Lichtes der Beleuchtungslichtquelle 21 bei einer bevorzugten Farbtemperatureinstellung gewährleistet ist. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass der dichroitische Strahlteiler 26 in einer Doppelfunktion verwendet werden kann – in einer ersten Funktion zur Einstellung der Farbtemperatur und in einer zweiten Funktion, in einem begrenzten Winkelbereich, zur Einkopplung einer Zusatzlichtquelle.
Die Anordnung eines CRI-Filters im Beleuchtungsstrahlengang, wie anhand von 3 dargestellt, ist zusätzlich möglich.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung.
Die Ausführungsform unterscheidet sich von der in 4 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass das Licht einer dritten Zusatzlichtquelle 201 in einer anderen Winkelstellung des dichroitischen Strahlteilers 26 in den parallelen Beleuchtungsstrahlengang 23 eingekoppelt werden kann.
Dazu befindet sich der dichroitische Strahlteiler 26 in einer definierten Position, die von der in 3 gezeigten Position abweicht und in der der dichroitische Strahlteiler 26 einen Winkel β4 = 45° zur optischen Achse 112 einschließt. Das Licht der dritten Zusatzlichtquelle 201 wird in einen dritten Lichtleiter 202 eingekoppelt. Das Austrittsende des dritten Lichtleiters 202 ist in einem rechten Winkel zur optischen Achse 22 und damit parallel zu einer Z-Achse des Referenzkoordinatensystems angeordnet. Das aus dem dritten Lichtleiter 202 austretende Licht 203 trifft auf den dichroitischen Strahlteiler 26 und wird dabei derart umgelenkt, das eine Einkopplung in das parallele Strahlenbündel 23 erfolgt. Das in der Beleuchtungsebene 28 in den ersten Lichtleiter 45 eingekoppelte Beleuchtungslicht umfasst den Spektralbereich der Beleuchtungslichtquelle 21, dessen Farbtemperatur durch den dichroitischen Strahlteiler 26 auf einen bestimmten Wert eingestellt ist und den Spektralbereich der dritten zusätzlichen Lichtquelle 201.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, das über den dichroitischen Strahlteiler 26 in zwei definierten Winkelpositionen beziehungsweise in zwei die Winkel β3 und β4 umfassenden, eng begrenzten Winkelbereichen zwei unterschiedliche Frequenzspektren in das Beleuchtungslicht der Beleuchtungslichtquelle 21 eingekoppelt werden können. Das Frequenzspektrum der ersten Zusatzlichtquelle 101 kann eine Fluoreszenzwellenlänge mit einer Wellenlänge von beispielsweise 405 nm aufweisen. Das Frequenzspektrum der dritten Zusatzlichtquelle 201 kann eine Infrarotlichtquelle mit einer Wellenlänge von beispielsweise 800 nm umfassen.
Die beiden Winkel β3 und β4 können von den in 5 gezeigten Winkelstellungen abweichen. Abhängig von der Ausführungsform des dichroitischen Strahlteilers 26 sind auch andere Winkelstellungen vorstellbar, in denen das Licht der ersten Beleuchtungslichtquelle 101 oder das Licht der zweiten Beleuchtungslichtquelle 201 in den parallelen Strahlengang 23 eingekoppelt wird.
In 6 ist in einem Diagramm 300 ein Transmissionsgrad eines dichroitischen Strahlteilers bei verschiedenen Winkeln im Beleuchtungsstrahlengang in Abhängigkeit von der Wellenlänge darstellt. Die Abszisse bezeichnet den Wellenlängenbereich des Beleuchtungslichtes zwischen 400 nm und 850 nm. Auf der Ordinate ist der Transimissionsgrad des durch den in den Strahlengang des Beleuchtungslichtes eingebrachten dichroitischen Strahlteiler in Prozent angegeben.
In dem Diagramm 300 ist die Transmission des dichroitischen Strahlteilers für vier unterschiedliche Winkelstellungen wiedergegeben. Die Winkelangaben sind auf die Ausführungsform gemäß 1 bezogen, gelten aber auch für die weiteren Ausführungsformen gemäß den 2 bis 5.
Eine erste Kurve 301 zeigt die Transmission des dichroitischen Strahlteilers bei einem Winkel von α1 = 15° zur optischen Achse 2. Dabei bildet die Normale des dichroitischen Strahlteilers 4 einen Winkel von 75° zur optischen Achse 2. In einer zweiten Kurve 302 ist die Transmission bei einem Winkel von α1 = 45° bezogen auf die optische Achse 2 dargestellt. Der Winkel der Normalen des dichroitischen Strahlteilers 4 und der optischen Achse 2 beträgt 45°. Eine dritte Kurve 303 zeigt die Transmission bei einem Winkel α1 = 75° bezüglich der optischen Achse 2. Der Winkel zwischen der Normalen des dichroitischen Strahlteilers 4 und der optischen Achse 2 beträgt 15°. Eine vierte Kurve 304 zeigt die Transmission bei einem Winkel von α1 = 90° in Bezug auf die optischen Achse 2. In diesem Fall ist der Winkel zwischen der Normalen des dichroitischen Strahlteilers 4 und der optischen Achse 2 gleich 0°. Das Beleuchtungslicht trifft somit senkrecht auf den dichroitischen Strahlteiler 4.
Aus der ersten Kurve 301 ist ersichtlich, dass bei einem Winkel von α1 = 15° eine Transmission von mehr als 73% in einem Wellenlängenbereich von 420 nm bis 625 nm erreicht wird. Aus der zweiten Kurve 302 wird deutlich, dass bei einem Winkel von α1 = 45° eine Transmission von mehr als 90% in einem Wellenlängenbereich zwischen 445 nm und 676 nm gegeben ist. Die dritte Kurve 303 zeigt, dass bei einem Winkel von α1 = 75° des dichroitischen Strahlteilers im Strahlengang die Transmission mehr als 90% im Wellenlängenbereich von 465 nm bis 728 nm beträgt. In der vierten Kurve 304 ist dargestellt, dass bei einem Winkel von α1 = 90° eine Transmission von mehr als 90° in einem Wellenlängenbereich zwischen 468 nm und 735 nm erreicht wird.
Die erste Kurve 301 korrespondiert zu einer Winkelstellung des dichroitischen Strahlteilers 4 von α1 = 15°. Bei dieser Winkelstellung beinhaltet das Frequenzspektrum des transmittierten Beleuchtungslichtes den Wellenlängenbereich zwischen 420 nm und 450 nm. Das bedeutet, dass das transmittierte Beleuchtungslicht einen relativ hohen Blau-Anteil aufweist. Gleichzeitig ist in dieser Winkelstellung ein Rotanteil, d. h. ein Wellenlängenbereich größer als 625 nm, nur in einem geringen Anteil im Frequenzspektrum vorhanden. Ein hoher Blauanteil und ein niedriger Rotanteil begünstigen eine hohe Farbtemperatur, beispielsweise 5000 K.
Die vierte Kurve 304 korrespondiert zu einer Winkelstellung des dichroitischen Strahlteilers 4 von α1 = 90°. Bei dieser Winkelstellung beinhaltet das Frequenzspektrum des transmittierten Beleuchtungslichtes den Wellenlängenbereich zwischen 625 nm und 735 nm. Das bedeutet, dass das Beleuchtungslicht einen relativ hohen Rot-Anteil aufweist. Dagegen ist der Wellenlängenbereich kleiner als 468 nm, d. h. der Blauanteil, nur in geringer Ausprägung im transmittierten Beleuchtungslicht vorhanden. Ein hoher Rotanteil und ein niedriger Blauanteil begünstigen eine niedrige Farbtemperatur, beispielsweise 3500 K.
Zwischen diesen beiden in der ersten Kurve 301 und der vierten Kurve 304 gezeigten Extremstellungen lassen sich so für verschiedene Winkelstellungen des dichroitischen Strahlteilers 4 verschiedene Farbtemperaturen des Beleuchtungslichtes einstellen.
Der in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehene dichroitische Strahlteiler ist derart ausgeführt, dass er bei einem Lichteinfall von 45° zu einer Normalen auf seine Oberfläche folgende Durchlasscharakteristik aufweist (siehe zweite Kurve 302):

– einen Durchlassbereich mit einer linken Flanke bei einer ersten Wellenlänge λ1 = 420 nm und mit einer rechten Flanke bei einer zweiten Wellenlänge λ2 = 715 nm und mit einem mittleren Transmissionsgrad von T1 von rund 90% zwischen der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge λ2;
– einen ersten Sperrbereich bis zu der ersten Wellenlänge λ1 mit einem maximalen Transmissionsgrad T2 von rund 10%; und
– einen zweiten Sperrbereich ab der Wellenlänge λ2 mit einem maximalen Transmissionsgrad T3 von rund 10%;

410 nm < λ1 < 460 nm;

700 nm < λ2 < 850 nm;

T2/T1 < 0,2

T3/T1 < 0,2.

Bezogen auf die Ausführungsbeispiele gemäß 4 oder 5 ergeben sich dadurch zwei Winkelstellungen β3 = 135° und β4 = 45°, in denen die optische Achse 22 des Beleuchtungsstrahlengangs eine Winkel von 45° bezüglich der Richtung der Normalen des dichroitischen Strahlteilers 26 einschließt.
In diesen Winkelstellungen ergibt sich ein Transmissionsgrad, der für den Wellenlängenbereich zwischen λ1 und λ2 größer ist als 90%. Dadurch ist es möglich, den im parallelen Beleuchtungsstrahlengang angeordneten dichroitischen Strahlteiler 26 auch zur Einkopplung von Beleuchtungslicht einer ersten Zusatzlichtquelle 101, einer zweiten Zusatzlichtquelle 104 oder einer dritten Zusatzlichtquelle 201 mit Wellenlängen oberhalb der zweiten Wellenlänge λ2 oder unterhalb der ersten Wellenlänge λ1 zu verwenden.
Bezugszeichenliste

1: Beleuchtungslichtquelle
2: Optische Achse
3: Strahlengang
4: Dichroitischer Strahlteiler
5: Erste Position des dichroitischen Strahlteilers
6: Zweite Position des dichroitischen Strahlteilers
7: Drehachse
8: Beleuchtungsebene
9: Winkelbereich
10: Beleuchtungseinrichtung
21: Beleuchtungslichtquelle
22: Optische Achse
23: Strahlengang
24: Erste Sammellinse
25: Zweite Sammellinse
26: Dichroitischer Strahlteiler
27: Drehachse
28: Beleuchtungsebene
29: Kühlkörper
30: Erste Position des dichroitischen Strahlteilers
31: Zweite Position des dichroitischen Strahlteilers
40: Beleuchtungseinrichtung
41: Erste Position CRI-Filter
42: Zweite Position CRI-Filter
43: Dritte Position CRI-Filter
44: Vierte Position CRI-Filter
45: Erster Lichtleiter
46: Operationsmikroskop
100: Beleuchtungseinrichtung
101: Erste Zusatzlichtquelle
102: Zweiter Lichtleiter
103: Aus dem zweiten Lichtleiter 102 austretendes Licht
104: Zweite Zusatzlichtquelle
200: Beleuchtungseinrichtung
201: Dritte Zusatzlichtquelle
202: Dritter Lichtleiter
203: Aus dem dritten Lichtleiter 202 austretendes Licht
217: Drehachse
300: Diagramm
301: Erste Kurve
302: Zweite Kurve
303: Dritte Kurve
304: Vierte Kurve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010042200 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

S. 317 in E. Fred Schubert, Light Emitting Diodes, Cambridge University Press, Second Edition 2006 [0002]

Claims

Beleuchtungseinrichtung (10, 40, 100, 200) für ein Operationsmikroskop, mit einer Weißlichtquelle (1, 21) zur Erzeugung von Beleuchtungslicht und mit einem optischen System (24, 25) zur Führung des Beleuchtungslichts in einem Beleuchtungsstrahlengang von der Weißlichtquelle (1, 21) zu einer Beleuchtungsebene, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Beleuchtungsstrahlengang (3, 23) ein um eine Drehachse (7, 27) drehbarer dichroitischer Strahlteiler (4, 26,) angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungsstrahlengang (2, 23) zumindest teilweise als paralleler Strahlengang ausgebildet ist und dass der dichroitische Strahlteiler (4, 26) in dem parallelen Strahlengang angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehwinkel (9, 29) des dichroitischen Strahlteilers (4, 26) um die Drehachse (7, 27) stufenlos veränderbar ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Weißlichtquelle (1, 21) eine Weißlicht-LED aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Weißlichtquelle (1, 21) eine durch einen Laser angeregte Lichtquelle, insbesondere eine laserangeregte Solid-State-Lichtquelle, aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System eine erste Sammellinse (24) und eine zweite Sammellinse (25) umfasst, die benachbart zueinander angeordnet sind und zwischen denen ein paralleler Strahlengang (2, 23) ausgebildet ist, in dem der dichroitische Strahlteiler (4, 26) angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Beleuchtungsstrahlengang ein CRI-Filter (41, 42, 43, 44) angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dichroitische Strahlteiler (4, 26) derart ausgeführt ist, dass er bei einem Lichteinfall von 45° zu einer Normalen auf seine Oberfläche folgende Durchlasscharakteristik aufweist: – einen Durchlassbereich mit einer linken Flanke bei einer ersten Wellenlänge λ1 und mit einer rechten Flanke bei einer zweiten Wellenlänge λ2 und mit einem mittleren Transmissionsgrad T1 zwischen der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge λ2; – einen ersten Sperrbereich bis zu der ersten Wellenlänge λ1 mit einem maximalen Transmissionsgrad T2; und – einen zweiten Sperrbereich ab der Wellenlänge λ2 mit einem maximalen Transmissionsgrad T3; wobei gilt: 410 nm < λ1 < 460 nm; 700 nm < λ2 < 850 nm; T2/T1 < 0,2 und T3/T1 < 0,2.