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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von digitalen Farbbildern oder Videosequenzen, wobei Licht aus einer Lichtquelle auf ein aufzunehmendes Objekt ausgestrahlt wird und vom Objekt reflektiertes oder durch das Objekt transmittiertes Licht durch einen Bildaufnehmer empfangen und in Bildsignale umgewandelt wird, sowie ein System zum Erzeugen von digitalen Farbbildern oder Videosequenzen, umfassend eine Lichtquelle, einen Bildaufnehmer und eine Steuereinheit, die mit der Lichtquelle und dem Bildaufnehmer verbunden ist.
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Verfahren, Vorrichtungen und Systeme zum Erzeugen von digitalen Farbbildern oder Videosequenzen sind bekannt. Digitale Kameras umfassen üblicherweise einen farbsensitiven Bildaufnehmer, beispielsweise einen CCD-Chip oder einen CMOS-Chip, dem eine Farbmaske überlegt ist, so dass verschiedene Sensorpunkte auf dem Bildaufnehmer verschiedene Farbdaten des Bildes registrieren. Voraussetzung dafür ist eine Beleuchtung mit einem breiten Frequenzspektrum, idealerweise einem weißen Licht. Ein Grundproblem solcher Systeme ist der Weißabgleich, da außer in Fällen, in denen die Beleuchtung strikt kontrolliert ist und der Frequenzverlauf des Beleuchtungslichtes bekannt ist, auch ein weißes Licht eine bestimmte Farbtemperatur hat. Der Weißabgleich erfolgt dann rechenintensiv und angenähert am fertigen Bild, falls nicht zuvor eine Farbkalibrierung stattgefunden hat.
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In Laborsituationen, beispielsweise bei Mikroskopen, aber auch bei Endoskopen, wird die Probe oder der zu untersuchende oder zu operierende Körperhohlraum eines Patienten mit einem bekannten Licht ausgestrahlt, so dass der Weißabgleich in diesen Fällen einfacher ist.
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Bauartbedingt ist eine vergleichsweise starke Beleuchtung notwendig, da das einfallende Licht in der Kamera farbgefiltert wird. Dies kann in einigen Fällen unerwünscht sein. So ist bei der Mikroskopie darauf zu achten, dass die Beleuchtungsintensivität nicht dazu führt, dass die zu mikroskopierenden Proben zerstört oder beeinträchtigt werden, und auch bei endoskopischen Untersuchungen oder Operationen sollte die durch das Beleuchtungslicht eingetragene Energie nicht zu Schädigungen des Gewebes führen. Dies wird üblicherweise dadurch erreicht, dass die Empfindlichkeit der Bildaufnahmechips gesteigert wird, um entsprechend die Beleuchtungsstärke reduzieren zu können.
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DE 60 2005 004 332 T2 offenbart ein Verfahren zum Bereitstellen von Daten, die in Arbeitsabläufen im Zusammenhang mit der Mundhöhle nutzbar sind. Eine Beleuchtung kann alternierend mit wenigstens drei Farben erfolgen, entweder über farbige Laser oder über eine rotierende Filterbeleuchtungsanordnung.
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US 2013/0096376 A1 offenbart eine Endoskopvorrichtung mit einer Lichtquelle, die abwechselnd ein Anregungslicht und ein Referenzlicht ausstrahlt und eine Bilderfassungseinheit, die Fluoreszenz von lebendem Gewebe und ein reflektiertes Licht aufnimmt.
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JP 2007068699 A stellt eine Lichtquelleneinheit zur Verfügung, in der LEDs mit verschiedenen Spektren offenbart sind, deren Licht in ein Licht kombiniert wird, wobei dies mittels eines dichroitischen Prismas oder ähnlichem erfolgt. So wird eine Lichtmenge vergrößert, ohne dass die Fläche, aus der Licht austritt, vergrößert werden muss.
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren und ein alternatives System zum Erzeugen von digitalen Farbbildern oder Videosequenzen zur Verfügung zu stellen, mit denen die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Erzeugen von digitalen Farbbildern oder Videosequenzen gelöst, wobei Licht aus einer Lichtquelle auf ein aufzunehmendes Objekt ausgestrahlt wird und vom Objekt reflektiertes oder durch das Objekt transmittiertes Licht durch einen Bildaufnehmer empfangen und in Bildsignale umgewandelt wird, das dadurch weitergebildet ist, dass der Bildaufnehmer monochrom ausgebildet ist, wobei die Lichtquelle mit der Belichtung des Bildaufnehmers synchronisiert geschaltet wird und Licht wenigstens dreier verschiedener Farben in einer Farbsequenz hintereinander aussendet, so dass wenigstens drei verschiedenfarbig belichtete Einzelframes aufgenommen werden, die zusammen ein Farbbild ergeben, wobei Taktverhältnisse, Schaltzeiten oder Leuchtintensitäten der Farben innerhalb der Farbsequenz zum Zwecke des Weißabgleichs angepasst werden oder sind.
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Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, dass der üblicherweise farbempfindliche Bildaufnehmer durch einen monochrom ausgebildeten Bildaufnehmer, beispielsweise einen CCD-Chip oder CMOS-Chip, ersetzt wird, der keine Farbfiltermaske vor den einzelnen Bildpunkten aufweist, so dass jeder Bildpunkt die volle Intensität des Beleuchtungslichts zur Signalbildung zur Verfügung hat, während bei einer Farbfilterung mehr als 60 % des einfallenden Lichts herausgefiltert wird und die Empfindlichkeit gegenüber einer Monochromkamera auf ca. ein Drittel reduziert ist. Dies hat den Vorteil, dass die Beleuchtungsstärke reduziert werden kann, da keine Farbfilterung mehr stattfindet und andererseits das Bildrauschen aufgrund des ungefiltert zur Verfügung stehenden Lichtes ggf. reduziert werden kann. Weiter kann die Auflösung in jeder einzelnen Farbe vergrößert werden, da es keine dedizierten Pixel für beispielsweise Rot, Grün und Blau mehr gibt, sondern jeder Pixel, sequentiell hintereinander, jede Farbe darstellt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Beleuchtung in ihrer Farbe sequenziell wechselt, so dass zeitlich hintereinander eine beispielsweise rote, dann eine grüne und dann eine blaue Beleuchtung erfolgt. Bei Frame-Raten von ca. 100 Bildern pro Sekunde, die moderne CCD-Chips und andere monochrome Bildaufnehmer zur Verfügung stellen, bedeutet dies, dass auch Videosequenzen mit einer Vollbildrate von 25 bis 30 Bildern pro Sekunde angezeigt werden können, wenn die einzelfarbigen Bilder als Teilbilder eines vollfarbigen Bildes, die zeitlich sequenziell nacheinander aufgenommen werden, aufgefasst werden. Die Wiedergabe dieser Videosequenz kann dann entweder so erfolgen, dass jedes einfarbige (Teil-)Bild mit der entsprechenden Farbe einzeln dargestellt wird und dies mit einer Bildrate, die der Aufnahmerate entspricht, oder dass jeweils die zueinander gehörenden Einzelbilder einer Farbsequenz in ein farbiges Bild umgerechnet wird, und dieses angezeigt wird. Da es sich im einfachsten Fall um eine simple Farbaddition handelt, kann dies ebenfalls in Echtzeit geschehen. Es ist auch möglich, jedes farbige Teilbild so lange darzustellen, bis das entsprechende Teilbild derselben Farben aus der nächstfolgenden Farbsequenz erzeugt wird. In der Darstellung ergibt sich so eine laufende mit 100 fps wechselnde Farbaddition.
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Auf diese Weise werden die monochromen CMOS- oder CCD-Sensoren bei erfindungsgemäßer Wahl der Beleuchtung auch als höchstempfindliche virtuelle 3-Chip CMOS- bzw. CCD-Kamera eingesetzt, beispielsweise in der Mikroskopie oder der Endoskopie.
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Als Beleuchtungseinheiten werden beispielsweise abweichend von typischen Fluoreszenzbeleuchtungsquellen breitbandig emittierende (z.B. weiße) LED als Emitter einer Beleuchtungseinheit verwendet, die aus wenigstens drei LED, die durch geeignete Filter im primären Strahlengang rotes, grünes und blaues Licht zur Verfügung stellen. Es kann sich auch um einfarbige LEDs handeln. Auch andere geeignete farbiges Licht erzeugende Beleuchtungsquellen sind erfindungsgemäß verwendbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Farbsequenz durch eine individuelle Ansteuerung von wenigstens drei verschiedenfarbigen einzeln schaltbaren Lichterzeugern der Lichtquelle, wobei jeweils ein Lichterzeuger an jeweils einer Lichteintrittsfläche eines dichroitischen Prismas der Lichtquelle angeordnet ist.
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Damit wird die übliche Verwendungsrichtung eines dichroitischen Prismas umgekehrt, in der üblicherweise ein weißes oder mehrfarbiges Licht in verschiedene Farben aufgespalten und auf einzelne monochrome Bildaufnehmer geleitet wird. In diesem Fall werden die verschiedenfarbigen Beleuchtungslichtstrahlen im dichroitischen Prisma zu einem einzigen Strahlengang vereinigt. So kann durch gleichzeitige Ansteuerung der verschiedenen Lichtquellen bzw. Lichterzeuger auch ein weißes Licht erzeugt werden.
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Vorzugsweise werden die verschiedenfarbig belichteten Einzelframes einer Frequenz zu einem Farbbild zusammengesetzt. Bei Aufnahme von Einzelbildern bedeutet dies, dass die Farbsequenz nur einmal wiederholt wird, um ein einzelnes Farb-Vollbild oder Vollfarbbild zu erzeugen.
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Besonders für die Aufnahme von Videosequenzen ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Farbsequenz zyklisch wiederholt wird und die verschiedenfarbig belichteten Einzelframes in einer Geschwindigkeit nacheinander in ihren jeweils erzeugenden Farben wiedergegeben werden, in der ein Eindruck einer mehrfarbigen Videosequenz entsteht. Alternativ kann auch jeweils aus den Bildern einer Farbsequenz ein einzelnes mehrfarbiges resultierendes Bild berechnet werden und angezeigt werden.
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Die Farbsequenz umfasst vorzugsweise die Grundfarben oder Mischungen, insbesondere einschließlich Weiß, der Grundfarben eines Farbraums und/oder deren Komplementärfarben, insbesondere des RGB-Farbraums, des CIE-Farbraums und/oder des YUV-Farbraums oder -Farbmodells. Der klassische Fall einer Beleuchtung mit additiven Farben ist die Wahl des RGB-Farbraums, entsprechend den Farben Rot, Grün und Blau. Auch deren Komplementärfarben Cyan, Magenta und Gelb können in dieser Weise verwendet werden. Weitere additive Farbräume bzw. Farbmodelle, wie der CIE-Farbraum oder der YUV-Farbraum bzw. das zugrundeliegende Farbmodell oder deren analoge bzw. digitale Nachfolger oder Alternativen, sind einsetzbar. Solche Nachfolger sind u.a. das YPbPr-Farbmodell und das YCbCr-Farbmodell.
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Bei den YUV- sowie CIE-Modellen handelt es sich um Linearkombinationen der Gewichtungen für die Rot-, Grün- und Blauanteile für die Signalübertragung, wobei in Y die Luminanz eincodiert ist, für die das menschliche Auge besonders empfindlich ist. Auch das CIE-Farbsystem ist an der Farbwahrnehmung des menschlichen Auges orientiert.
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Erfindungsgemäß werden oder sind Taktverhältnisse, Schaltzeiten oder Leuchtintensitäten der Farben innerhalb der Farbsequenz, insbesondere zum Zwecke des Weißabgleichs, angepasst. Die Taktverhältnisse betreffen die relativen Schaltdauern für die wenigstens drei Farben untereinander, die Schaltzeiten die absoluten Dauern.
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Vorzugsweise wird in einer Weißphase der Farbsequenz fokussiert. Die Farbsequenz weist in diesem Fall wenigstens vier Phasen auf, beispielsweise RGBW, wobei W für die Weißphase steht, in der beispielsweise die rote, die grüne und die blaue Beleuchtungsquelle gleichzeitig leuchten. Ein solches weißes Bild ist besonders geeignet zum Fokussieren.
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Vorteilhafterweise werden wenigstens zeitweise kurze Leuchtzeiten der Farbsequenz bei hoher Leuchtintensität verwendet, insbesondere zum Fokussieren. Dies bedeutet, besonders für den Fall des Fokussierens, dass die Einzelbilder durch die kurzen Beleuchtungszeiten bzw. Leuchtzeiten einen sehr geringen bis verschwindend geringen Anteil an Bewegungsunschärfe aufweisen, so dass diese Bilder für ein Fokussieren besonders geeignet sind. Es kann auch vorgesehen sein, dass lediglich einzelne Phasen der Farbsequenz, insbesondere eine Weißphase, mit kurzer Leuchtzeit und hoher Leuchtintensität verwendet werden. Bei der Anzeige der Videosequenz können solche Weißphasen ausgelassen werden. Sie können jedoch auch mit angezeigt werden.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein System zum Erzeugen von digitalen Farbbildern oder Videosequenzen gelöst, umfassend eine Lichtquelle, einen Bildaufnehmer und eine Steuereinheit, die mit der Lichtquelle und dem Bildaufnehmer verbunden ist, wobei der Bildaufnehmer monochrom ausgebildet ist und die Belichtung des Bildaufnehmers mittels der Steuereinheit steuerbar ist, wobei die Lichtquelle ausgebildet ist, Licht wenigstens dreier verschiedener Farben unabhängig voneinander zu erzeugen, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, die Lichtquelle mit der Belichtung des Bildaufnehmers synchronisiert so zu schalten, dass die Lichtquelle Licht wenigstens dreier verschiedener Farben in einer Farbsequenz hintereinander aussendet, so dass wenigstens drei verschiedenfarbig belichtete Einzelframes aufgenommen werden, die zusammen ein Farbbild ergeben, wobei Taktverhältnisse, Schaltzeiten oder Leuchtintensitäten der Farben innerhalb der Farbsequenz zum Zwecke des Weißabgleichs anpassbar sind. Das System verwirklicht die gleichen Grundgedanken wie das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren.
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Bevorzugt weist die Lichtquelle ein dichroitisches Prisma mit wenigstens drei Lichteintrittsflächen und einer Lichtaustrittsfläche sowie wenigstens drei verschiedenfarbigen einzeln schaltbaren Lichterzeugern auf, wobei jeweils ein Lichterzeuger an einer Lichteintrittsfläche des dichroitischen Prismas angeordnet ist.
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Weitere Farben der Farbsequenz können erzeugt werden, wenn vorteilhafterweise das dichroitische Prisma zwischen vier und sechs Lichteintrittsflächen sowie die Lichtquelle eine entsprechende Anzahl von verschiedenfarbigen Lichterzeugern aufweist.
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Die Lichterzeuger umfassen vorzugsweise jeweils einen Farbfilter zur Farbfilterung aus einem breiteren Farbspektrum oder Leuchtmittel mit schmalem Spektrum, insbesondere verschiedenfarbige LEDs.
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Das erfindungsgemäße System ist vorzugsweise als mikroskopisches System oder endoskopisches System ausgebildet.
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Vorzugsweise ist die Steuereinheit ausgebildet und eingerichtet, insbesondere mittels eines Computerprogramms, ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
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Das System weist die gleichen Eigenschaften, Vorteile und Merkmale auf wie das erfindungsgemäße Verfahren und implementiert dieses. Ebenfalls erfindungsgemäß ist ein Computerprogramm, mit dem die Beleuchtung und die Bildaufnahme sowie Bildverarbeitung verfahrensgemäß gesteuert wird und das erfindungsgemäße Verfahren auf der Steuereinheit des erfindungsgemäßen Systems implementiert.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
- 1a), b) schematische Darstellung dichroitischer Prismen,
- 2 eine schematische Darstellung einer RGB-Farbsequenz,
- 3 eine schematische Darstellung einer RGBW-Farbsequenz und
- 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems.
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In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
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In 1a) ist ein dichroitisches Prisma 30 des sogenannten „Philips-Typs“ in einer üblichen Anwendungsform gezeigt. Von links tritt weißes (W) Licht in eine Lichteintrittsfläche 31.0 des dichroitischen Prismas ein, stößt auf eine erste Grenzfläche, an der der rote (R) Anteil des weißen Lichts reflektiert wird, während die weiteren Anteile, nämlich der grüne (G) und der blaue (B) Anteil hindurchgelassen werden. Der rote Anteil wird ein weiteres Mal an der Lichteintrittsfläche 31.0 reflektiert und tritt durch eine erste Lichtaustrittsfläche 31.1 auf. Nicht dargestellt ist ein CCD-Chip, der das rote Licht exklusiv aufnimmt. Die weiteren Anteile werden an einer weiteren Grenzfläche wiederum aufgespalten, wobei der blaue (B) Anteil reflektiert wird und an der ersten Grenzfläche ein zweites Mal reflektiert wird, um schließlich an einer dritten Lichtaustrittsfläche 31.3 auszutreten, wo er wiederum durch einen nicht dargestellten CCD-Chip detektiert werden kann. Der grüne (G) Anteil des Lichts passiert auch die zweite Grenzfläche und tritt ohne Spiegelung durch die zweite Lichtaustrittsfläche 31.2 aus. Die Grenzflächen sind jeweils als dichroitische Filter ausgebildet, die durch eine Beschichtung und ihre Anordnung eine Totalreflexion bestimmter Wellenlängenbereiche des einfallenden Lichts bewirken, während die anderen Wellenlängenbereiche unreflektiert hindurchgelassen werden. Es kann auch ein kleiner Luftspalt zwischen den Prismen, insbesondere dem ersten Prisma und dem Prisma des dichroitischen Prismas, vorhanden sein.
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In 1b) ist der umgekehrte Fall gezeigt, in dem Licht unterschiedlicher Wellenlängen kombiniert wird. Hierzu tritt rotes (R) Licht durch die in diesem Fall erste Lichteintrittsfläche 33.1 ein und wird zweifach reflektiert, um durch die Lichtaustrittsfläche 33.0 auszutreten. Grünes Licht tritt in der zweiten Lichteintrittsfläche 33.2 ein, während blaues (B) Licht durch die dritte Lichteintrittsfläche 33.3 eintritt und zweifach reflektiert wird, so dass sich an der Lichtaustrittsfläche 33.0 die drei Strahlen vereinen und, wenn alle drei Farben vorhanden sind, weißes Licht ergeben. Wird nur eine der drei Lichtquellen geschaltet, so hat das austretende Licht entsprechend die Farbe der Lichtquelle. Werden Kombinationen der Farben in unterschiedlicher Intensität angesteuert, so lassen sich andere Farben und Farbintensitäten erzeugen. Mit dem gezeigten Beispiel mit einer roten, einer grünen und einer blauer Lichtquelle lässt sich auf diese Weise im Prinzip der RGB-Farbraum aufspannen bzw. die Farben des RGB-Farbraums im Rahmen der Grenzen der einzelnen Lichterzeuger erzeugen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer RGB-Farbsequenz 70 entsprechend der vorliegenden Erfindung. Im unteren Teil der 2 sind die Ansteuerungssignale für die drei Kanäle R, G und B gezeigt, wobei die Farbsequenz 70 so ausgestaltet ist, dass jeder einzelne Kanal zwischen 0 (Aus) und 1 (Ein) geschaltet wird. Die RGB-Farbsequenz 70 weist eine Rotphase 70R, eine Grünphase 70G und eine Blauphase 70B auf, in denen jeweils der Rotkanal, der Grünkanal oder der Blaukanal angeschaltet ist. Die entsprechenden Strahlengänge im dichroitischen Prisma 30 sind jeweils über den Phasen 70R, 70G und 70B dargestellt. Diese Sequenz 70 wird zyklisch wiederholt, um eine Videosequenz zu erzeugen. Sie wird nur einmal wiederholt, wenn ein einzelnes Farbbild zu erzeugen ist.
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In 3 ist eine alternative RGBW-Farbsequenz 75 dargestellt, die neben der Rotphase 75R, der Grünphase 75G und Blauphase 75B auch noch eine Weißphase 75W aufweist, in der sämtliche drei Kanäle, R, G und D auf Eins, also eingeschaltet sind. Die entsprechenden Strahlenverläufe und Aktivierungen der Lichterzeuger sind in dem oberen Teil der 3 entsprechend dargestellt.
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Die in 2 und 3 gezeigten Farbsequenzen 70, 75 sind jeweils so eingestellt, dass jede einzelne Phase gleich lang ist und somit beim Anschluss durch eine andere Phase abgelöst wird. Es ist aber auch im Rahmen der Erfindung möglich, kompliziertere Schaltungsmuster zu realisieren, beispielsweise indem die Steuersignale verkürzt, verlängert und/oder in ihrem Betrag angepasst werden, so dass auch Zwischenwerte zwischen den Extremen 0 und 1 angesteuert werden. Dies kann für die einzelnen Farbkanäle R, G und B unterschiedlich und individuell geschehen, so dass verschiedene Farbkombinationen eingestellt werden können. Damit ist unter anderem auch ein Weißabgleich einstellbar.
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In 4 ist ein erfindungsgemäßes System schematisch dargestellt. Das System 10 weist eine erfindungsgemäße Lichtquelle 20 auf, die ein zuvor in der 1 dargestelltes dichroitisches Prisma 30 aufweist, an dessen Lichteintrittsflächen farbige Lichterzeuger 32, 34 und 36 angeordnet sind. Das aus der Lichtaustrittsfläche des dichroitischen Prismas 30 austretende Licht wird durch eine lediglich symbolhaft dargestellte Linse 38, die für ein Linsensystem stehen kann, auf einen Objektträger 40 oder alternativ ein Objekt oder ein durch ein Endoskop zu untersuchendes Gebiet in einem Körperinnenraum eines Patienten gelenkt und dort reflektiert und/oder transmittiert. Das von dem Objekt bzw. Objektträger 40 kommende Licht wird durch eine weitere Linse 54 bzw. ein Linsensystem in eine Kamera 50 des Systems 10 mit einem monochromen Bildaufnehmer 52 gelenkt, der ein Bild entsprechend der Beleuchtung aus der Lichtquelle 20 aufnimmt und über ein Verbindungskabel 62 an eine zentrale Steuerungseinheit 60 übermittelt. Ferner steuert die zentrale Steuerungseinheit 60 die Lichtquelle 20 über ein Verbindungskabel 64 an. Die Steuerungseinheit 60 hat die Funktion, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, die Farbsequenzen gemäß 2 bzw. 3 zu erzeugen, die Lichtquelle 20 mit der Kamera 50 bzw. dem monochromen Bildaufnehmer 52 zu synchronisieren und die einkommenden Bilddaten auf der Kamera 50 entsprechend der angesteuerten Beleuchtung zu verarbeiten und ggf. darzustellen.
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Bei dem in 4 lediglich schematisch angedeuteten System 10 kann es sich um ein Mikroskop handeln, das im vorliegenden Fall in einem Auflichtverfahren, alternativ aber auch in einem Durchlichtverfahren, arbeitet. Auch der Einsatz in Endoskopen ist denkbar. Die farbsequenzielle erfindungsgemäße Beleuchtung hat den Vorteil, dass sämtliches auf das Objekt gestrahlte Licht auch zur Bildgebung zur Verfügung steht und keine Filter in der Kamera vorhanden sind, die eine stärkere Beleuchtung nötig machen. Auf diese Weise wird das beleuchtete Objekt geschont. Gleichzeitig ist eine extrem farbtreue Bildwiedergabe und Bildverarbeitung möglich, da die Beleuchtung mit sehr genauer bekannter Farbe erfolgt. Ein Weißabgleich ist auf diese Weise sehr einfach. Auch können die Empfindlichkeiten des monochromen Bildaufnehmers 52 der Kamera 50 auf die verschiedenen Farben sehr gut ausgemessen werden und die wiedergegebenen Bilder hierfür korrigiert werden.
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Die Empfindlichkeit der Kamera gegenüber einer Farbkamera ist etwa um das Dreifache höher.
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Ein weiterer Vorteil des erfindergemäßen Systems, insbesondere in der Version mit einem dichroitischen Prisma, das auch einen anderen Typ als den dargestellten Typ haben kann, beruht auch darin, dass der Beleuchtungswechsel keine mechanischen Bewegungen beinhaltet. Damit ergeben sich neue Möglichkeiten der Fokussierung, des Stitching und für tiefenscharfe Bilder. Letztere können aus der Intensitätsverteilung der Bilder in den einzelnen Farben berechnet werden.
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So ist es beispielsweise möglich, mit wechselnder Beleuchtung bei einer sogenannten Z-Fahrt, also einer Bewegung in der Tiefe, bei voller Frequenz der Beleuchtungspulse simultan die Schärfe und die Farbe des Bildes zu erfassen. Die Schärfe dient u.a. der Fokussierung. Hierfür werden üblicherweise Bilder mit weißer Beleuchtung aufgenommen und eine schrittweise Z-Fahrt und somit schneller als bisher vorgenommen. Erfindungsgemäß kann nun in voller und kontinuierlicher Z-Fahrt eine Abfolge von weißen und einfarbigen Belichtungen erfolgen, beispielsweise fünf weiße Frames abwechselnd mit einer Folge von je einem roten, einem grünen und einem blauen Frame. Auf diese Weise wird in allen Frames Information über die Schärfe bereitgestellt und die Farbinformation aus den regelmäßig zwischengeschalteten R-, G- und B-Frames erhalten. Auch hier wird die Physiologie des menschlichen Sehens ausgenutzt, da die S/W-Zäpfchen im menschlichen Auge besonders empfindlich sind. So ändert sich die Helligkeitsverteilung, die für die Schärfenwahrnehmung bestimmend ist, deutlich schneller als die Farbverteilung. Für Letztere ist das menschliche Auge aber weniger empfindlich, so dass die geringere Farbauffrischungsrate nicht wahrgenommen wird. Hierin liegt eine Anlehnung an das YUV-System, mit der Luminanz im Y-Kanal und der Farbinformation (Chrominanz) in den UV-Kanälen. Dies lässt sich aber auch im RGB-Raum verwirklichen.
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Durch die Verkürzung der Anregungsschaltzeiten für die Beleuchtungsquellen ergibt sich außerdem und somit die Möglichkeit des kontinuierlichen Fokussierens, während ein Objekt oder eine Probe in Bewegung ist.
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Konzeptionell unterscheidet sich der Weißabgleich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und System von einem Weißabgleich bei einem typischen Farbsensor darin, dass der Weißabgleich nicht mehr an den Bilddaten nach ihrer Aufnahme erfolgt, sondern bereits bei der Ansteuerung der Lichterzeuger der Lichtquelle, so dass ein erheblicher Teil an Rechenarbeit entfällt. Es handelt sich lediglich noch um eine Kalibrierung, die vor Inbetriebnahme durchzuführen ist.
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Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- System
- 20
- Lichtquelle
- 30
- dichroitisches Prisma
- 31.0
- Lichteintrittsfläche
- 31.1
- erste Lichtaustrittsfläche
- 31.2
- zweite Lichtaustrittsfläche
- 31.3
- dritte Lichtaustrittsfläche
- 32
- Lichterzeuger
- 33.0
- Lichtaustrittsfläche
- 33.1
- erste Lichteintrittsfläche
- 33.2
- zweite Lichteintrittsfläche
- 33.3
- dritte Lichteintrittsfläche
- 34
- Lichterzeuger
- 36
- Lichterzeuger
- 38
- Linse
- 40
- Objektträger
- 50
- Kamera
- 52
- monochromer Bildaufnehmer
- 54
- Linse
- 60
- Steuerungseinheit
- 62
- Verbindungskabel
- 64
- Verbindungskabel
- 70
- RGB-Farbsequenz
- 75
- RGBW-Farbsequenz
- 70R, 75R
- Rotphase
- 70G, 75G
- Grünphase
- 70B, 75B
- Blauphase
- 75W
- Weißphase
