DE102015102595A1

DE102015102595A1 - Optische Beobachtungsanordnung, Kamera, Endoskop oder Exoskop sowie Endoskop- oder Exoskopsystem

Info

Publication number: DE102015102595A1
Application number: DE102015102595.7A
Authority: DE
Inventors: Klaus M. Irion; Harald Baumann; Gerd Beck; Werner Göbel
Original assignee: Karl Storz SE and Co KG
Current assignee: Karl Storz SE and Co KG
Priority date: 2015-02-24
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2016-08-25
Anticipated expiration: 2035-02-25
Also published as: DE102015102595B4

Abstract

Eine erfindungsgemäße optische Beobachtungsanordnung für ein Endoskop oder ein Exoskop umfasst einen Strahlteiler zum Teilen eines von einem Objektfeld ausgehenden Strahlenbündels in ein erstes Teilstrahlenbündel (14) und ein zweites Teilstrahlenbündel (15), eine Abbildungsoptik (1) zum Erzeugen eines Bilds des Objektfelds mittels des ersten Teilstrahlenbündels (14), eine Spektrometeroptik (4) zum Zerlegen zumindest eines ausgewählten Anteils des zweiten Teilstrahlenbündels (15) in eine Mehrzahl spektral unterschiedlicher Anteile und einen Bildsensor (5) mit einer Sensorfläche, wobei die Abbildungsoptik (1) zum Erzeugen des Bilds des Objektfelds auf einer ersten Teilfläche (6) der Sensorfläche und die Spektrometeroptik (4) zum Übertragen der Mehrzahl spektral unterschiedlicher Anteile auf unterschiedliche Teilbereiche einer zweiten Teilfläche (15) der Sensorfläche ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft auch eine Kamera für ein Endoskop oder ein Exoskop sowie ein Endoskop oder ein Exoskop mit einer derartigen optischen Beobachtungsanordnung und ein Endoskop- oder ein Exoskopsystem mit einem derartigen Endoskop bzw. Exoskop.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Beobachtungsanordnung für ein Endoskop oder ein Exoskop nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine Kamera für ein Endoskop oder ein Exoskop, ein Endoskop oder ein Exoskop sowie ein Endoskop- oder Exoskopsystem.
Endoskope werden heute für eine Vielzahl von Anwendungen in Medizin und Technik verwendet. Endoskope umfassen typischerweise einen starren oder flexiblen lang erstreckten Schaft, der zur Einführung in einen Hohlraum geeignet ist, und in dessen distalem, d.h. beobachterfernen Endbereich ein Objektiv zur Erzeugung eines Bildes eines in dem Hohlraum befindlichen Objektfelds angeordnet ist. Zur Aufnahme und Weiterleitung des endoskopischen Bildes vom distalen Ende des Endoskops zum proximalen, d.h. beobachternahen Ende können ein elektronischer Bildaufnehmer, beispielsweise ein CCD-Chip, im Bereich des distalen Endes des Schafts und elektrische Leitungen innerhalb des Schafts vorgesehen sein. Alternativ kann im Schaft ein Bildweiterleiter angeordnet sein, der eine Mehrzahl von Relaislinsensystemen oder ein geordnetes Bündel von Lichtleitfasern umfasst, und der das vom Objektiv erzeugte Bild zum proximalen Endbereich des Endoskops weiterleitet, wo ein elektronischer Bildaufnehmer angeordnet sein kann. Das vom distal oder proximal angeordneten elektronischen Bildaufnehmer aufgenommene Bild kann von einer am proximalen Ende des Endoskops anschließbaren Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung ausgewertet, auf einem Bildschirm für einen Beobachter dargestellt und/oder beispielsweise für Dokumentationszwecke gespeichert werden. Da in der Regel in dem beobachteten Hohlraum nicht ausreichend Licht vorhanden ist, kann ferner innerhalb des Schafts ein Lichtleitsystem vorgesehen sein, um ausreichend Licht an das distale Ende des Endoskops zu transportieren, wo es zur Beleuchtung des Hohlraums genutzt wird.
Weiterhin ist eine Vorrichtung zum Beobachten und Beleuchten eines Objektfelds an einem Patienten von einer Stelle abseits des Körpers des Patienten bekannt, die am distalen Ende eines Schafts ein Kopfteil mit einer Beleuchtung zum Ausleuchten und einer Optik zum Beobachten des Objektfelds aufweist, wobei das aufgenommene Bild zu einem proximalen Ende des Schafts weitergeleitet wird, wo ein elektronischer Bildaufnehmer angekoppelt sein kann. Eine derartige Vorrichtung, die in vielen Aspekten ähnlich einem Endoskop aufgebaut ist und die die Beleuchtung und Beobachtung eines Operationsfelds bei einer chirurgischen Operation aus einem Arbeitsabstand von beispielsweise 25 bis 75 cm ermöglicht, wird als „Exoskop“ bezeichnet. Exoskope der genannten Art werden von der Fa. KARL STORZ GmbH & Co. KG unter der Bezeichnung VITOM^® angeboten.
In US 4,054,389 ist ein Spektrophotometer mit einer Anordnung von Photodioden beschrieben, wobei ein Lichtleitfaserbündel mit einer Seite eines linear variablen Filters (LVF) und die Anordnung von Photodioden mit der anderen Seite des Filters verbunden ist. Gemäß WO 02/088645 A2 umfasst eine Farbmesssensoranordnung für Spektrometervorrichtungen ein LVF, eine optische Detektoranordnung und eine Platte mit einem kohärenten Faserbündel zwischen dem LVF und der optischen Detektoranordnung. Aus US 6,590,660 B2 ist ein System zur Bestimmung der Farbe oder anderer optischer Charakteristika von Zähnen bekannt, wobei eine Empfangsfaseroptik Licht von der Oberfläche eines zu messenden Objekts bzw. Zahns empfängt und über einen optischen Teiler zu einem Spektrometer und zu einem Breitbandsensor leitet. Der Breitbandsensor misst die Lichtenergie im gesamten Wellenlängenbereich des Spektrometers. Zur Aufnahme von Bildern von Zähnen ist eine intraorale Kamera vorgesehen.
Bei endoskopischen Untersuchungen ist es häufig wünschenswert, sowohl ein Spektrum als auch ein Weißlicht- oder Fluoreszenzbild eines endoskopisch beobachteten Objektfelds zu erzeugen. Ein Bild des Objektfelds, insbesondere ein Weißlicht- oder Fluoreszenzbild, ist für einen Benutzer notwendig, um in gewohnter Weise diagnostische Schlussfolgerungen zu ziehen. Andererseits ist ein Spektrum oder zumindest spektral aufgelöste Daten des Objektfelds oder eines Ausschnitts des Objektfelds notwendig, um den Befund spektral zu quantifizieren und die Diagnose abzusichern oder zu verfeinern.
In EP 2 609 849 A1 ist eine Vorrichtung zur endoskopischen Fluoreszenzdetektion offenbart, die einen endoskopisch einsetzbaren Lichtleiter zur Weiterleitung einer Fluoreszenzanregungsstrahlung von einem proximalen Ende des Lichtleiters zu einem zu untersuchenden menschlichen oder tierischen Gewebe und zur Aufnahme und Weiterleitung einer von dem Gewebe emittierten Fluoreszenzstrahlung zum proximalen Ende des Lichtleiters umfasst. Ferner ist eine beispielsweise als CCD-Kamera ausgebildete Detektoreinrichtung zur Detektion der Fluoreszenzstrahlung vorgesehen, die zur Unterscheidung von mindestens drei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen der Fluoreszenzstrahlung ausgebildet ist. Der CCD-Kamera kann ein Strahlteiler vorgeschaltet sein, durch den ein Anteil des Lichts aus dem zur CCD-Kamera gerichteten Strahlenbündel ausgekoppelt und zur Spektralanalyse einem Spektrometer zugeführt wird, das insbesondere als Faserspektrometer ausgebildet sein kann. Dadurch, dass eine CCD-Kamera und ein Spektrometer benötigt werden, ist die Handhabbarkeit beim Einsatz im Operationssaal eingeschränkt; zudem entsteht ein zusätzlicher Aufwand bei der Sterilisierung.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Beobachtungsanordnung für ein Endoskop oder ein Exoskop anzugeben, die die Gewinnung spektraler und Bildinformationen von einem beobachteten Objektfeld ermöglicht und die möglichst einen einfachen Aufbau aufweist, miniaturisierbar ist und einfach handhabbar ist, sowie eine entsprechende Kamera, ein entsprechendes Endoskop oder Exoskop und ein entsprechendes Endoskop- oder Exoskopsystem.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, durch eine Kamera gemäß Anspruch 13, durch ein Endoskop oder Exoskop gemäß Anspruch 14 und durch ein Endoskop- oder Exoskopsystem gemäß Anspruch 15 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine erfindungsgemäße optische Beobachtungsanordnung für ein Endoskop oder ein Exoskop ist insbesondere eine optische Beobachtungsanordnung eines Endoskops bzw. eines Exoskops, die in einem Innenraum des Endoskops bzw. des Endoskops aufgenommen ist. Die erfindungsgemäße optische Beobachtungsanordnung dient zur Gewinnung spektraler und Bildinformationen aus einem Strahlenbündel, das von einem insbesondere mit dem Endoskop bzw. dem Exoskop beobachteten Objektfeld ausgeht. Das Strahlenbündel kann durch ein Eintrittsfenster des Endoskops bzw. des Exoskops in dessen optisches System eintreten und kann beispielsweise ein Objektiv und/oder einen Bildweiterleiter durchlaufen haben, bevor es zur optischen Beobachtungsanordnung gelangt, kann aber auch unmittelbar in die optische Beobachtungsanordnung eintreten. Die erfindungsgemäße optische Beobachtungsanordnung kann im distalen Bereich des Endoskops bzw. des Exoskops aufgenommen sein, insbesondere im distalen Endbereich des Schafts eines Endoskops. Die optische Beobachtungsanordnung kann aber auch ganz oder teilweise im proximalen Bereich des Endoskops bzw. Exoskops oder in einer mit dem Endoskop bzw. Exoskop verbindbaren separaten Kameraeinheit angeordnet sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung beziehen sich die Begriffe „optisch“, „Licht“ und „Strahlung“ insbesondere auf den sichtbaren Spektralbereich, können aber auch die angrenzenden Spektralbereiche im infraroten und/oder ultravioletten Teil des elektromagnetischen Spektrums umfassen.
Die optische Beobachtungsanordnung umfasst einen Strahlteiler zum Teilen des von dem beobachteten Objektfeld ausgehenden Strahlenbündels in ein erstes Teilstrahlenbündel und ein zweites Teilstrahlenbündel. Der Strahlteiler kann mit einer ebenen strahlteilenden, beispielsweise teilverspiegelten Fläche ausgebildet sein, die im Strahlengang des vom Objektfeld kommenden Strahlenbündels angeordnet ist und das erste Teilstrahlenbündel hindurchtreten lässt und das zweite Teilstrahlenbündel reflektiert oder umgekehrt. Vorzugsweise ist der Strahlteiler als Teilerwürfel mit einer teilreflektierend beschichteten Teilerfläche ausgebildet. Die Teilerfläche ist vorzugsweise spektral neutral teilend, kann aber auch eine dichroitisch teilende Beschichtung aufweisen. Vorzugsweise steht die Teilerfläche um etwa 45º schräg zu einer optischen Achse des eintretenden Strahlenbündels, so dass die optische Achse des von der Teilerfläche reflektierten Teilstrahlenbündels näherungsweise senkrecht auf der optischen Achse des in den Strahlteiler eintretenden und des durch diesen hindurchtretenden Teilstrahlenbündels. Der Strahlteiler kann zum Teilen des eintretenden Strahlenbündels in das erste und das zweite Teilstrahlenbündel im Verhältnis von beispielsweise 10:90, 50:50 oder 90:10 der Lichtintensität ausgebildet sein, wobei sich ein jeweils optimales Teilungsverhältnis aus der jeweiligen Anwendung sowie insbesondere aus den Eigenschaften der dem Strahlteiler im Strahlengang nachgeordneten optischen Elemente und dem für eine gegebene Anwendung jeweils notwendigen Signal-Rausch-Verhältnis ergibt.
Weiter umfasst die optische Beobachtungsanordnung eine Abbildungsoptik zum Erzeugen eines Bilds des Objektfelds mittels des ersten Teilstrahlenbündels und eine Spektrometeroptik zum Zerlegen zumindest eines ausgewählten Anteils des zweiten Teilstrahlenbündels in eine Mehrzahl spektral unterschiedlicher Anteile. Der Strahlengang des ersten Teilstrahlenbündels bildet somit einen Abbildungsstrahlengang und der Strahlengang des zweiten Teilstrahlenbündels einen Spektrometerstrahlengang.
Die Abbildungsoptik kann insbesondere ein Objektiv umfassen, das beispielsweise ein Objektiv des Endoskops bzw. des Exoskops sein kann; die Abbildungsoptik kann auch einen Bildweiterleiter umfassen, der eine Mehrzahl von Relaislinsensysteme oder ein geordnetes Bündel von Lichtleitfasern aufweist und der zur Weiterleitung eines vom Objektiv des Endoskops bzw. Exoskops erzeugten Zwischenbilds zum proximalen Endbereich des Endoskops bzw. Exoskops dient. Die Abbildungsoptik kann aber auch beispielsweise eine Kameraoptik sein, die zur Erzeugung eines Bilds aus einem zum proximalen Endbereich des Endoskops bzw. Exoskops weitergeleiteten Strahlenbündels ausgebildet ist. Die Abbildungsoptik ist vorzugsweise im Strahlengang vor dem Strahlteiler und somit im gemeinsamen Strahlengang angeordnet, kann aber auch teilweise oder ganz nach dem Strahlteiler angeordnet sein.
Die Spektrometeroptik kann optische Elemente zum Auswählen des Spektralanalyseanteils bzw. des Spektralanalysestrahlenbündels aus dem zweiten Teilstrahlenbündel, zum Zerlegen in eine Mehrzahl von Spektralanteilen und zum Weiterleiten des zweiten Teilstrahlenbündels, des Spektralanalysestrahlenbündels und der Spektralanteile umfassen. Der ausgewählte Anteil des zweiten Teilstrahlenbündels, der von der Spektrometeroptik in eine Mehrzahl spektral unterschiedlicher Anteile zerlegt wird und somit spektral analysiert wird, wird im Folgenden als „Spektralanalyseanteil“ bzw. das entsprechende Strahlenbündel als „Spektralanalysestrahlenbündel“ bezeichnet. Die spektral unterschiedlichen Anteile, in die das zweite Teilstrahlenbündel bzw. der Spektralanalyseanteil des zweiten Teilstrahlenbündels zerlegt wird, werden im Folgenden auch als „Spektralanteile“ bezeichnet.
Weiterhin umfasst die optische Beobachtungsanordnung einen Bildsensor mit einer vorzugsweise ebenen Sensorfläche, der beispielsweise als CCD- oder CMOS-Sensor ausgebildet sein kann. Die Sensorfläche umfasst eine Mehrzahl lichtempfindlicher Elemente, die jeweils ein auftreffendes optisches Signal in ein elektrisches Signal umwandeln, das für eine weitere Auswertung zur Verfügung steht. Hierfür kann der Bildsensor eine Ansteuerungs- und Ausleseelektronik aufweisen.
Erfindungsgemäß ist die Abbildungsoptik zum Erzeugen des Bilds des Objektfelds auf eine ersten Teilfläche der Sensorfläche des Bildsensors ausgebildet, und die Spektrometeroptik ist zum Übertragen der Mehrzahl der Spektralanteile des zweiten Teilstrahlenbündels bzw. des Spektralanalyseanteils des zweiten Teilstrahlenbündels auf unterschiedliche Teilbereiche einer von der ersten Teilfläche verschiedenen zweiten Teilfläche der Sensorfläche ausgebildet. Erfindungsgemäß ist somit die Sensorfläche des Bildsensors in mindestens zwei Teilflächen unterteilt, wovon die erste Teilfläche für die Aufnahme des von der Abbildungsoptik erzeugten Bilds des Objektfelds und die zweite Teilfläche zur Aufnahme spektraler Informationen des Objektfelds mittels der von der Spektrometeroptik getrennten unterschiedlichen Spektralanteile dient. Die unterschiedlichen Spektralanteile werden dabei auf unterschiedliche Pixel oder unterschiedliche Teilbereiche, die mehrere Pixel umfassen können, der zweiten Teilfläche der Sensorfläche übertragen, so dass insbesondere ein Spektrum des Objektfelds oder eines Teilbereichs des Objektfelds aufgenommen werden kann. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die erste bzw. die zweite Teilfläche jeweils ganz oder nur teilweise für die Erfassung des Bilds bzw. der Spektralanteile genutzt werden. Die Sensorfläche kann weitere Teilflächen sowie ungenutzte Bereiche umfassen. Die Sensorfläche sowie die erste und die zweite Teilfläche sind in der Regel jeweils rechteckförmig ausgebildet. Die vom Bildsensor durch Auslesen der ersten und der zweiten Teilfläche erzeugten Signale können zu einer Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung übertragen werden und zur Gewinnung von Bildinformationen und spektralen Informationen ausgewertet, gespeichert und für einen Benutzer dargestellt werden. Der Bildsensor kann eine Ansteuerungs- und Ausleseelektronik aufweisen, die ein separates Auslesen der ersten und der zweiten Teilfläche ermöglicht, oder die Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung kann zur Trennung der Bild- und der spektralen Informationen aus dem Signal des Bildsensors eingerichtet sein.
Der Bildsensor kann insbesondere als Weißlichtsensor dienen, und das auf der ersten Teilfläche der Sensorfläche des Bildsensors erzeugte und von diesem aufgenommene Bild kann dementsprechend einen breiten Spektralbereich, etwa den sichtbaren Spektralbereich, umfassen. Die optische Beobachtungsanordnung kann aber auch derart ausgebildet sein, dass auf der ersten Teilfläche ein Bild in einem eingeschränkten Spektralbereich erzeugt und von dem Bildsensor aufgenommen wird; hierfür können dem Bildsensor im Strahlengang des ersten Teilstrahlenbündels ein oder mehrere optische Filter vorgeschaltet sein. Insbesondere kann die optische Beobachtungsanordnung zur Aufnahme eines Fluoreszenzbilds und zur spektralen Analyse der Fluoreszenzstrahlung ausgebildet sein; in diesem Fall können dem Bildsensor im Strahlengang des ersten und/oder des zweiten Teilstrahlenbündels und/oder im gemeinsamen Strahlengang vor dem Strahlteiler ein oder mehrere Filter zur Abschwächung oder Eliminierung der Fluoreszenzanregungsstrahlung vorgeschaltet sein, um zu verhindern, dass die Erfassung des Fluoreszenzbilds bzw. die Spektralanalyse der Fluoreszenzstrahlung durch reflektierte oder gestreute Fluoreszenzanregungsstrahlung gestört wird. Die Filter können beispielsweise innerhalb des Objektivs angeordnet sein und schaltbar ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße Beobachtungsanordnung kann etwa zur fluoreszenzspektroskopischen oder zur remissionsspektroskopischen Differenzierung von Tumorstadien oder für technische Anwendungen genutzt werden.
Dadurch, dass die Abbildungsoptik zur Erzeugung eines Bilds des Objektfelds auf einer ersten Teilfläche der Sensorfläche des Bildsensors und die Spektrometeroptik zur Übertragung unterschiedlicher Spektralanteile auf unterschiedliche Teilbereiche der zweiten Teilfläche der Sensorfläche ausgebildet und angeordnet sind, wird es ermöglicht, mit einem einzigen Bildsensor sowohl Bildinformationen als auch spektrale Informationen des Objektfelds aufzunehmen, die zur weiteren Verarbeitung und zur Anzeige für einen Benutzer zur Verfügung gestellt werden können. Insbesondere kann es ermöglicht werden, die Bild- und die spektralen Informationen gleichzeitig aufzunehmen, so dass eine sicherere Zuordnung der spektralen Informationen zu einem dargestellten Bild ermöglicht wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird ferner eine besonders kompakte und miniaturisierte Bauweise der optischen Beobachtungsanordnung ermöglicht sowie eine verlustarme Lichtübertragung zum Spektrometer. Hierdurch wird die Schaffung einer kompakten Kamera mit Spektrometerfunktion bzw. eines Endoskops oder eines Exoskops mit einer Spektrometerfunktion ermöglicht, wobei die Kamera bzw. das Endoskop oder das Exoskop einfach handhabbar und sterilisierbar ist und daher auch im Operationssaal verwendbar ist. Ferner wird durch Verwendung eines einzigen Bildsensors eine kostengünstige Herstellung ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Spektrometeroptik ein linear variables Filter (LVF) oder ein Arrayed Waveguide Grating (AWG) zur Zerlegung zumindest des Spektralanalyseanteils des zweiten Teilstrahlenbündels in die Mehrzahl unterschiedlicher Spektralanteile. Derartige LVF bzw. AWG sind an sich bekannt. Sowohl ein LVF als auch ein AWG ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise der Spektrometeroptik. Alternativ kann in ebenfalls an sich bekannter Weise ein optisches Gitter oder ein anderes dispersives optisches Element zur Aufteilung des zweiten Teilstrahlenbündels bzw. des Spektralanalyseanteils in die unterschiedlichen Spektralanteile dienen.
Vorzugsweise ist das LVF bzw. das AWG unmittelbar auf der zweiten Teilfläche der Sensorfläche oder höchstens in einem solchen Abstand zu dieser zweiten Teilfläche angeordnet, der nicht wesentlich größer als der Abstand zweier benachbarter Pixel der Sensorfläche ist. Insbesondere kann das LVF als Beschichtung auf die zweite Teilfläche aufgebracht sein. Hierdurch wird eine weiterhin besonderes kompakte Anordnung der Spektrometeroptik und des Bildsensors ermöglicht, insbesondere dadurch, dass zur Übertragung der von dem LVF bzw. dem AWG erzeugten unterschiedlichen Spektralanteile auf unterschiedliche Teilbereiche bzw. Pixel der Sensorfläche keine weiteren optischen Elemente oder lediglich eine planparallele Platte erforderlich ist.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Spektrometeroptik ein Lichtleitfaserbündel umfasst, das zum Übertragen zumindest des Spektralanalyseanteils des zweiten Teilstrahlenbündels zum LVF bzw. zum AWG dient. Hierdurch werden eine kompakte Bauweise und eine verlustarme Lichtübertragung zum LVF bzw. AWG ermöglicht. Das Lichtleitfaserbündel ist vorzugsweise ein geordnetes Bündel, kann jedoch auch ein ungeordnetes Bündel von Lichtleitfasern sein. Ferner umfasst die Spektrometeroptik vorzugsweise einen Diffusor, der dem Lichtleitfaserbündel vorgeschaltet ist und zur Homogenisierung bzw. Durchmischung des in die Spektrometeroptik eintretenden Lichts dient. Hierdurch kann erreicht werden, dass die einzelnen Lichtleitfasern des Lichtleitfaserbündels jeweils Licht mit im Wesentlichen gleicher spektraler Zusammensetzung aufnehmen und dieses dem LVF bzw. dem AWG zur Selektion der unterschiedlichen Spektralanteile zur Verfügung gestellt wird. Hierdurch kann die Aussagekraft der aufgenommenen spektralen Informationen gesteigert werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst die Spektrometeroptik mindestens ein Spiegelelement, das zum Übertragen zumindest des Spektralanalyseanteils des zweiten Teilstrahlenbündels zum LVF bzw. zum AWG ausgebildet ist. Auch hierdurch wird eine kompakte und einfache Ausbildung der Spektrometeroptik ermöglicht.
Vorzugsweise ist das mindestens eine Spiegelelement astigmatisch ausgebildet. Hierdurch wird es ermöglicht, das in die Spektrometeroptik eintretende zweite Teilstrahlenbündel bzw. zumindest den Spektralanalyseanteil des zweiten Teilstrahlenbündels in einer solchen Weise auf das LVF bzw. das AWG zu übertragen, dass eine effiziente Ausnutzung der Fläche des LVF bzw. AWG ermöglicht wird. Das Spiegelelement kann insbesondere abbildend ausgebildet sein, wobei in einer Richtung quer zur Achse des LVF bzw. AWG, entlang derer dieses eine spektral unterschiedliche Transmission aufweist, eine Fokussierung und in einer Richtung entlang der Achse, die bei einem rechteckförmigen LVF bzw. AWG in der Regel einer langen Kante entspricht, eine geringere Fokussierung oder eine Aufspreizung des zweiten Teilstrahlenbündels bzw. des Spektralanalyseanteils erfolgt. Hierdurch kann die Ausnutzung der Fläche des LVF bzw. des AWG weiter verbessert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Spiegelelement scannend betreibbar sein, um das Licht von unterschiedlichen Bereichen des Objektfelds auf das LVF bzw. das AWG zu lenken. Dadurch können Bereiche des Objektfelds nacheinander abgetastet und eine Spektralanalyse für jeden Bereich durchführt werden. Hierdurch können ortsaufgelöste Spektraldaten gewonnen werden, die die Aussagekraft eines Befunds erhöhen können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Spektralanalyseanteil des zweiten Teilstrahlenbündels durch eine Eintrittsapertur der Spektrometeroptik definiert. Der Spektralanalyseanteil des zweiten Teilstrahlenbündels besteht somit aus den Strahlen, die durch die Eintrittsapertur hindurchtreten und für die Zerlegung in unterschiedliche Spektralanteile zur Verfügung stehen. Dabei kann zusätzlich ein Spektralfilter zur Einengung des spektral analysierten Bereichs vorgesehen sein. Dadurch, dass der Spektralanalyseanteil durch eine Eintrittsapertur der Spektrometeroptik bestimmt ist, wird es ermöglicht, das Licht eines Bereichs des Objektfelds für eine Spektralanalyse auszuwählen und in unterschiedliche Spektralanteile zu zerlegen. Ein solcher Bereich des Objektfelds, aus dem das Spektralanalysebündel stammt, wird im Folgenden auch als „Ausschnitt“ bezeichnet. Da es zur Erstellung eines diagnostischen Befunds in der Regel notwendig ist, einen für den Befund besonders relevanten, begrenzten Bereich des Objektfelds spektral zu analysieren, kann hierdurch die Aussagekraft der aufgenommenen Spektralinformationen erhöht werden. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass in die optische Beobachtungsanordnung eintretendes Licht aus dem gesamten Objektfeld, das auf der ersten Teilfläche der Sensorfläche abgebildet wird, für die Spektralanalyse zur Verfügung steht; um in diesem Fall ein Spektrum eines besonders relevanten Bereichs des Objektfelds aufzunehmen, kann beispielsweise das Endoskop vom Benutzer entsprechend nahe am Objektfeld positioniert werden, so dass nur Licht aus dem relevanten Bereich in die Beobachtungsanordnung gelangt und spektral analysiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Eintrittsapertur der Spektrometeroptik zumindest näherungsweise in einer Bildebene der Abbildungsoptik und/oder abbildender optischer Elemente der Spektrometeroptik angeordnet. Das Objektfeld wird somit durch die Abbildungsoptik und/oder die abbildenden optischen Elemente der Spektrometeroptik auf die Eintrittsapertur abgebildet, wobei eine scharfe oder auch eine unscharfe Abbildung möglich sein kann. Die Eintrittsapertur kann beispielsweise durch eine Feldblende, durch die Apertur eines zur Übertragung des zweiten Teilstrahlenbündels genutzten Spiegelelements oder auch durch die Eintrittsgrenzfläche eines zur Übertragung des Spektralanalysestrahlenbündels dienenden Lichtleitfaserbündels definiert sein. Hierdurch wird auf einfache Weise eine genaue Festlegung des für die Spektralanalyse herangezogenen Ausschnitts des Objektfelds ermöglicht. Vorzugsweise ist die Abbildungsoptik im Lichtweg zumindest teilweise vor dem Strahlteiler angeordnet, wodurch es ermöglicht wird, zumindest einen Teil der Abbildungsoptik sowohl für die Erzeugung des Bilds des Objektfelds als auch für die Festlegung des Ausschnitts für die spektrometrische Untersuchung zu nutzen.
Vorzugsweise umfasst die optische Beobachtungsanordnung eine Markierungseinrichtung, die zur Erzeugung eines Markierungslichts ausgebildet ist, das derart in eine Objektebene übertragen werden kann, dass hierdurch in der Objektebene und insbesondere im beobachteten Objektfeld ein Bild der Eintrittsapertur erzeugt wird. Das in die Objektebene übertragene Markierungslicht kann beispielsweise ein Bild der Eintrittsapertur darstellen, deren Rand oder einen unterbrochenen Rand der Eintrittsapertur. Das Markierungslicht kann über den Strahlteiler und die Abbildungsoptik mittels des ersten Teilstrahlenbündels auf die erste Teilfläche des Bildsensors abbildbar sein, so dass in dem vom Bildsensor aufgenommenen Bild des Objektfelds das Markierungslicht erkennbar ist und die Eintrittsapertur markiert. Hierdurch wird es einem Benutzer ermöglicht, im aufgenommenen Bild des Objektfelds zu erkennen, aus welchem Bereich bzw. welchem Ausschnitt des Objektfelds das Licht zur Erzeugung der spektralen Informationen entnommen wird.
Vorzugsweise umfasst das Markierungslicht nur einen oder nur solche Wellenlängenbereiche, der bzw. die außerhalb des Wellenlängenbereichs der von der Spektrometeroptik auf die zweite Teilfläche der Sensorfläche übertragbaren Spektralanteile liegt bzw. liegen. Hierdurch kann es sicher vermieden werden, dass die Spektralanalyse durch das Markierungslicht beeinträchtigt wird. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass das Markierungslicht alternierend zur zweiten Teilfläche der Sensorfläche aktiviert wird, etwa mit der Videorate bzw. Halbbildrate, so dass das Markierungslicht nur dann auf das Objektfeld eingestrahlt wird, wenn zwar die erste Teilfläche der Sensorfläche zur Aufnahme der Bilddaten aktiv ist, jedoch die zweite Teilfläche der Sensorfläche nicht zur Aufnahme von Spektraldaten genutzt wird. Hierfür kann die optische Beobachtungseinrichtung eine entsprechende Steuerungseinrichtung aufweisen, oder das Endoskop bzw. das Exoskop oder eine Steuerungseinrichtung des Endoskops bzw. Exoskops kann entsprechend eingerichtet sein.
In vorteilhafter Weise umfasst die Markierungseinrichtung einen selbstleuchtenden Rand der Eintrittsapertur oder es kann eine Markierungslichtquelle vorgesehen sein, von der ein Rand der Eintrittsapertur beleuchtbar ist. Die Markierungslichtquelle kann von der erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsanordnung umfasst sein, kann aber auch extern angeordnet und über eine Übertragungsoptik mit der Beobachtungseinrichtung verbunden sein. Hierdurch wird auf einfache Weise eine Markierung des Ausschnitts des Objektfelds, aus dem das spektralanalysierte Spektralanalysestrahlenbündel stammt, ermöglicht.
Anstelle eines Markierungslichts oder zusätzlich hierzu kann der vom Spektrometer erfasste Bereich des Objektfelds durch eine von einer Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung elektronisch erzeugte, in das für einen Benutzer etwa auf einem Bildschirm angezeigte Bild eingeblendete Markierung markiert werden. Hierfür wird beim Einbau des Bildsensors, etwa eines CMOS-Chips, in eine Kamera oder in ein Endoskop bzw. ein Exoskop ermittelt, welche Pixel der ersten Teilfläche der Sensorfläche des Bildsensors zum vom Spektrometer erfassten Bereich gehören, d.h. welche Pixel der ersten Teilfläche solche Bereiche des Objektfelds darstellen, von denen Licht in das Spektralanalysestrahlenbündel gelangt. In entsprechender Weise wird die Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung eingerichtet, um diese Pixel zu markieren, etwa durch einen diese umgebenden, in das angezeigte Bild eingeblendeten Ring. Hierdurch kann der Vorteil erzielt werden, dass die eingeblendete Markierung kein zusätzliches Licht in das Objektfeld einbringt und auch nach der Aufnahme eines angezeigten Bilds beliebig an- und abgeschaltet werden kann.
Eine erfindungsgemäße Kamera für ein Endoskop oder ein Exoskop umfasst einen Strahlteiler zum Teilen eines vom Endoskop bzw. Exoskop in die Kamera eintretenden, von einem Objektfeld ausgehenden Strahlenbündels in ein erstes Teilstrahlenbündel und ein zweites Teilstrahlenbündel, eine Abbildungsoptik zum Erzeugen eines Bilds des Objektfelds mittels des ersten Teilstrahlenbündels, eine Spektrometeroptik zum Zerlegen zumindest eines ausgewählten Anteils des zweiten Teilstrahlenbündels in eine Mehrzahl spektral unterschiedlicher Anteile und einen Bildsensor mit einer Sensorfläche, wobei die Abbildungsoptik zum Erzeugen des Bilds des Objektfelds auf einer ersten Teilfläche der Sensorfläche ausgebildet ist und die Spektrometeroptik zum Übertragen der Mehrzahl spektral unterschiedlicher Anteile auf unterschiedliche Teilbereiche einer zweiten Teilfläche der Sensorfläche ausgebildet ist. Die Abbildungsoptik der Kamera kann mit einer Abbildungsoptik des Endoskops bzw. Exoskops zum Erzeugen des Bilds des Objektfelds auf der ersten Teilfläche des Bildsensors zusammenwirken. Insbesondere umfasst die Kamera eine wie oben beschrieben ausgebildete optische Beobachtungsanordnung.
Vorzugsweise umfasst die Kamera ein Gehäuse, in dem zumindest der Strahlteiler, die Abbildungsoptik, die Spektrometeroptik und der Bildsensor aufgenommen sind. Am Gehäuse können Bedienelemente sowie Anschlüsse zum Anschließen einer Versorgungs-, Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung angeordnet sein. Die Kamera kann eine Markierungslichtquelle umfassen oder einen Lichtkabelanschluss zum Anschließen einer externen Markierungslichtquelle aufweisen.
Die Kamera kann als vom Endoskop bzw. Exoskop separate Kameraeinheit ausgebildet sein und über eine Kupplung verfügen, mit der die Kamera mit einem proximalen Endbereich des Endoskops bzw. des Exoskops verbunden werden und von diesem wieder gelöst werden kann. Eine erfindungsgemäße Kamera kann insbesondere in ähnlicher Weise wie eine herkömmliche endoskopische Videokamera mit einem Endoskop bzw. Exoskop bekannter Bauart verbindbar sein. Die Kamera kann aber auch fest mit dem Endoskop bzw. Exoskop verbunden sein.
Eine erfindungsgemäße Kamera weist somit zusätzlich zur Bilderfassung eine Funktion als Spektrometer auf, wodurch von einem Objektfeld insbesondere gleichzeitig ein Bild und ein Spektrum erfasst werden können, und wobei außerdem für einen Benutzer erkennbar sein kann, aus welchem Bereich des beobachteten Objektfelds die Spektraldaten stammen. Die Kamera kann insbesondere kompakt und leicht handhabbar sowie sterilisierbar ausgebildet sein und für medizinische Untersuchungen etwa im Rahmen eines endoskopischen oder chirurgischen Eingriffs verwendbar sein.
Ein erfindungsgemäßes Endoskop sowie ein erfindungsgemäßes Exoskop umfasst eine wie oben beschrieben ausgebildete optische Beobachtungsanordnung. Insbesondere weist ein erfindungsgemäßes Endoskop bzw. Exoskop einen langerstreckten Schaft und einen proximalen Endbereich auf, wobei die optische Beobachtungsanordnung im distalen Endbereich des Schafts aufgenommen sein kann. In diesem Fall sind innerhalb des Schafts elektrische Leitungen zur Versorgung des Bildsensors der optischen Beobachtungseinrichtung und zur Übertragung der aufgenommenen Signale zum proximalen Endbereich angeordnet. Es ist auch möglich, dass der Strahlteiler, die Spektrometeroptik und der Bildsensor im proximalen Endbereich des Endoskops bzw. Exoskops aufgenommen ist. In diesem Fall kann die Abbildungsoptik das Objektiv des Endoskops bzw. Exoskops sowie einen Bildweiterleiter umfassen, der zum Weiterleiten des von einem Objektfeld in das Endoskop bzw. Exoskop eintretenden Strahlenbündels zum proximalen Endbereich dient, sowie ggf. weitere abbildende optische Elemente proximalseitig des Bildweiterleiters. Im proximalen Endbereich des Endoskops bzw. Exoskops können Bedienelemente sowie Anschlüsse zum Anschließen einer Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung angeordnet sein. Vorzugsweise umfasst das Endoskop bzw. Exoskop eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Objektfelds, die beispielsweise innerhalb des Schafts verlaufende Beleuchtungslichtleiter und einen proximalseitigen Lichtanschluss zum Anschließen einer externen Beleuchtungslichtquelle umfassen kann. Die Beleuchtungseinrichtung kann beispielsweise für Fluoreszenzbeobachtungen ausgelegt sein und zur Einstrahlung einer Fluoreszenzanregungsstrahlung auf das Objektfeld ausgebildet sein. Das Endoskop bzw. das Exoskop kann eine Markierungslichtquelle umfassen oder einen Lichtkabelanschluss zum Anschließen einer externen Markierungslichtquelle aufweisen; im letzteren Fall kann die Markierungslichtquelle in die Beleuchtungslichtquelle integriert sein. Das Markierungslicht kann in der oben beschriebenen Weise oder auch durch eine in einem Zwischenbild der Endoskopoptik angeordnete, selbstleuchtende oder von der Markierungslichtquelle beleuchtbare Struktur, etwa einen Ring, erzeugt werden, wobei die Struktur vorzugsweise im Zusammenhang mit dem Einbau des Bildsensors justiert werden kann. Im Übrigen kann das Exoskop bzw. Endoskop in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein. Ein erfindungsgemäßes Endoskop bzw. Exoskop kann in gewohnter Weise handhabbar sowie sterilisierbar sein und für medizinische Untersuchungen etwa im Rahmen eines endoskopischen oder chirurgischen Eingriffs verwendbar sein. Hierdurch wird auf einfache Weise sowohl die Gewinnung von Bilddaten als auch von spektralen Informationen eines Objektfelds ermöglicht, insbesondere die gleichzeitige Erfassung der Bild- und der Spektraldaten. Dabei kann zusätzlich für einen Benutzer erkennbar sein, aus welchem Bereich des beobachteten Objektfelds die Spektraldaten stammen.
Ein erfindungsgemäßes Endoskop- oder Exoskopsystem umfasst ein wie zuvor beschrieben ausgebildetes Endoskop bzw. Exoskop mit einem wie zuvor beschrieben ausgebildeten optischen Beobachtungssystem. Das Endoskop bzw. das Exoskop kann, wie oben beschrieben, eine separate Kameraeinheit aufweisen. Das Endoskop- oder Exoskopsystem umfasst weiterhin eine Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung, die zur Auswertung und Anzeige der vom Bildsensor der optischen Beobachtungseinrichtung erfassten Bild- und Spektraldaten ausgebildet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Endoskop- oder Exoskopsystem eine Markierungslichtquelle, die wie oben beschrieben zur Erzeugung eines Markierungslichts ausgebildet ist. Die Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung kann eine Ansteuerung des Bildsensors und der Markierungslichtquelle in der Art umfassen, dass das Markierungslicht alternierend zum zweiten Teilbereich des Bildsensors aktiviert wird, d.h. dass jeweils abwechselnd der zweite Teilbereich des Bildsensors zur Erfassung der Spektraldaten genutzt wird und das Markierungslicht eingeschaltet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung derart ausgebildet, dass der vom Spektrometer erfasste Bereich des Objektfelds durch eine elektronisch erzeugte Markierung markiert wird, die in das für einen Benutzer etwa auf einem Bildschirm angezeigte Bild eingeblendet wird. Der entsprechende Bereich des Objektfelds kann bei der Montage des Endoskops bzw. Exoskops oder bei der Inbetriebnahme des Endoskop- bzw. Exoskopsystems ermittelt und die Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung entsprechend eingerichtet werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der beigefügten Zeichnung. Es zeigen jeweils in schematischer Form:
1a bis 1c ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsanordnung;
2a und 2b ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsanordnung;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsanordnung;
4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Beobachtungsanordnung;
5 ein Endoskopsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Wie in 1a in schematischer Form dargestellt ist, umfasst eine optische Beobachtungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Abbildungsoptik 1, die in 1a symbolisch als Objektivlinse dargestellt ist, einen Strahlteilerwürfel 2 mit einer Teilerfläche 3, eine Spektrometeroptik 4 und einen Bildsensor 5 mit einer Sensorfläche, die eine erste Teilfläche 6 und eine zweite Teilfläche 7 umfasst, wobei die Sensorfläche und die erste und die zweite Teilfläche 6, 7 jeweils rechteckig sind. Die Spektrometeroptik 4 umfasst einen Glasstab 8, ein Lichtleitfaserbündel 9 und ein linear variables Filter (LVF) 10. Das LVF 10 ist unmittelbar auf der zweiten Teilfläche 7 der Sensorfläche des Bildsensors 5 aufgebracht, beispielsweise in Form einer linear variabel spektral selektierenden Beschichtung. Das Lichtleitfaserbündel 9 weist im Bereich seiner Eintrittsgrenzfläche 11 einen im Wesentlichen runden Querschnitt auf, in dem die Lichtleitfasern 12 angeordnet sind (s. 1b). Die am gegenüberliegenden Ende des Lichtleitfaserbündels 9 angeordneten Endflächen 13 der Lichtleitfasern 12 sind in einer linearen oder rechteckigen Anordnung auf dem LVF 10 angeordnet und auf dieses derart aufgesetzt, dass das von den einzelnen Lichtleitfasern 12 übertragene Licht durch das LVF zu den lichtempfindlichen Elementen (Pixeln) der zweiten Teilfläche 7 der Sensorfläche gelangt (s. 1c).
Das vom Objektfeld kommende Strahlenbündel tritt durch ein Eintrittsfenster in das Endoskop bzw. Exoskop ein (nicht dargestellt) und durchläuft die Abbildungsoptik 1. In dem Fall, dass die in 1a dargestellte optische Beobachtungsanordnung im distalen Endbereich des Endoskops bzw. Exoskops angeordnet ist, kann das in das Endoskop bzw. Exoskop eintretende Strahlenbündel unmittelbar oder etwa nach Durchgang durch ein Umlenkelement zur Abbildungsoptik 1 gelangen, die das Objektiv des Endoskops bzw. Exoskops sein kann. In dem Fall, dass die in 1 dargestellte optische Beobachtungsanordnung zumindest teilweise im proximalen Endbereich des Endoskops bzw. Exoskops oder in einer an dieses ankoppelbaren separaten Kameraeinheit angeordnet ist, umfasst die Abbildungsoptik 1 insbesondere das Objektiv des Endoskops bzw. Exoskops sowie einen Bildweiterleiter und ggf. weitere abbildende optische Elemente. Das Strahlenbündel wird zum Strahlteilerwürfel 2 weitergeleitet und dort zum Teil an der Teilerfläche 3 reflektiert, so dass ein erstes Teilstrahlenbündel 14 und ein zweites Teilstrahlenbündel 15 erzeugt werden. Mittels des ersten Teilstrahlenbündels 14 erzeugt die Abbildungsoptik 1 ein Bild des Objektfelds auf der ersten Teilfläche 6 der Sensorfläche des Bildsensors 5, der hierfür in einer Bildebene der Abbildungsoptik 1 angeordnet ist. Das an der Teilerfläche 3 reflektierte zweite Teilstrahlenbündel 15 wird über den Glasstab 8 in das Lichtleitfaserbündel 9 eingekoppelt. Dabei kann die Eintrittsgrenzfläche 11 des Lichtleitfaserbündels 9 näherungsweise in einer Bildebene der Abbildungsoptik 1 angeordnet sein, in der das Objektfeld mittels des zweiten Teilstrahlenbündels 15 abgebildet wird. Die Form und die Fläche der Eintrittsgrenzfläche 11 des Lichtleitfaserbündels 9 selektieren den Ausschnitt des Objektfelds, aus dem Licht in das Lichtleitfaserbündel 9 gelangt und somit für eine spektrometrische Analyse zur Verfügung steht. Der Glasstab dient zur Homogenisierung bzw. Durchmischung des Lichts, das aus dem vom Spektrometer erfassten Ausschnitt des Objektfelds kommt. Der Glasstab wirkt insbesondere als Diffusor. Je nach Grad der Durchmischung des Lichts haben auch die Form und die Querschnittsfläche des Glasstabs 8 einen Einfluss auf die Selektion des Ausschnitts, dessen Licht vom Spektrometer erfasst wird.
In umgekehrter Richtung kann Licht, das von einzelnen Lichtleitfasern in Richtung zum Glasstab 8 übertragen wird, über den Strahlteiler 2 und die Abbildungsoptik 1 auf das Objektfeld projiziert werden, um denjenigen Ausschnitt des Objektfelds, aus dem das Licht spektral analysiert wird, zu markieren. Wenn beispielsweise die auf dem Umfang der Eintrittsgrenzfläche 11 befindlichen Lichtleitfasern mit einem solchen Markierungslicht beaufschlagt werden, so entsteht ein ggf. unterbrochener Ring im Objektfeld, der den spektral analysierten Ausschnitt umgibt und der von der Abbildungsoptik 1 mit dem Bild des Objektfelds auf der ersten Teilfläche 6 der Sensorfläche des Bildsensors 5 abgebildet wird. In 1b ist eine derartige Markierungsfaser 16, die von einer nicht dargestellten Markierungslichtquelle mit Markierungslicht beaufschlagt wird, symbolisch gezeigt. Alternativ kann beispielsweise ein teildurchlässiger Spiegel schräg zur optischen Achse des zweiten Teilstrahlenbündels 15 in den Glasstab 8 integriert und derart von einer Markierungslichtquelle mit Licht beaufschlagt werden, dass das Licht über die Teilerfläche 3 und die Abbildungsoptik 1 in ähnlicher Weise auf das Objektfeld projiziert wird, um den spektrometrisch untersuchten Ausschnitt zu markieren. Hierdurch wird es einem Benutzer ermöglicht, zu erkennen, aus welchem Bereich des Objektfelds das aufgenommene Spektrum stammt. Weiter alternativ kann eine Endfläche des Glasstabs 8, die in der Bildebene liegt, mit dem Markierungslicht beleuchtet werden; auch hierdurch kann der Benutzer im aufgenommenen Bild des Objektfelds erkennen, welcher Bildausschnitt vom Spektrometer erfasst wird. Als Markierungslichtquelle kann beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED) oder ein Diodenlaser dienen (nicht dargestellt). Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Markierungslichtquelle nur in einem Spektralbereich außerhalb des von der Spektrometeroptik (4) spektral analysierten Spektralbereichs oder alternierend zu einem Auslesen der zweiten Teilfläche (7) des Bildsensors (5) strahlt.
Das in die Lichtleitfasern 12 des Lichtleitfaserbündels 9 eingekoppelte Licht wird von diesen zum LVF 10 transportiert. In Abhängigkeit von der Position auf dem LVF 10, insbesondere in Abhängigkeit von der Position entlang der Achse des LVF 10, die hier parallel zur langen Kante des LVF 10 gerichtet ist, wird beim Durchgang des von einer Lichtleitfaser 12 eingekoppelten Lichts ein jeweils unterschiedlicher spektraler Anteil durchgelassen. Daher gelangt ein jeweils unterschiedlicher Spektralanteil zu den Teilbereichen bzw. Pixeln der zweiten Teilfläche 7 der Sensorfläche, die den Endflächen der Lichtleitfasern 12 gegenüber liegen. Die zweite Teilfläche 7 der Sensorfläche des Bildsensors 5 nimmt somit ein Spektrum des in das Lichtleitfaserbündel 9 eingekoppelten, durch die Eintrittsgrenzfläche 11 ausgewählten Anteils des zweiten Teilstrahlenbündels 15 auf. Innerhalb des Lichtleitfaserbündels 9 können die einzelnen Lichtleitfasern 12 in geordneter Weise verlaufen; das Lichtleitfaserbündel 9 kann jedoch auch ein ungeordnetes Bündel sein.
In 2a ist eine optische Beobachtungsanordnung gemäß einem zweiten Ausbildungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das vom Objektfeld kommende Strahlenbündel wird durch den Strahlteilerwürfel 2 mit der Teilerfläche 3 in ein erstes Teilstrahlenbündel 14, das einen Abbildungsstrahlengang darstellt, und ein zweites Teilstrahlenbündel 15, das den Spektrometerstrahlengang darstellt, aufgeteilt. Die Abbildungsoptik 1 erzeugt über den Strahlteilerwürfel 2 mittels des ersten Teilstrahlenbündels 14 auf der ersten Teilfläche 6 des Bildsensors 5 ein Bild des Objektfelds und mittels des zweiten Teilstrahlenbündels 15 ein Bild des Objektfelds auf einer Feldblende 17, die in einer Zwischenbildebene angeordnet ist und deren Apertur zur Auswahl des für die spektrometrische Erfassung in Frage kommenden Bildausschnitts und damit zur Auswahl des Spektralanalyseanteils dient. Das durch die Apertur der Feldblende 17 hindurchtretende Spektralanalysestrahlenbündel wird über einen astigmatischen Spiegel 18, dessen unterschiedliche Krümmungen in 2a symbolisch angedeutet sind, auf dem LVF, das in 2a nicht dargestellt ist bzw. auf der zweiten Teilfläche 7 der Sensorfläche des Bildsensors 5 abgebildet. Dabei wird durch den astigmatischen Spiegel 18 der spektroskopisch zu untersuchende Bildausschnitt in Richtung der Achse bzw. der langen Kante des LVF aufgeweitet und in Richtung der kurzen Kante des LVF fokussiert; der erzeugte Bildpunkt wird somit in eine langgezogene Ellipse 19 transformiert, die die Fläche des LVF 10 weitgehend ausfüllt (s. 2b). Die Feldblende 17 kann objektseitig von einer nicht dargestellten Markierungslichtquelle angeleuchtet werden, so dass die Feldblende 17 auf das Objektfeld abgebildet wird und im vom Bildsensor 5 aufgenommenen Bild des Objektfelds den Ausschnitt markiert, der vom Spektrometer erfasst wird; die Markierungslichtquelle kann beispielsweise außerhalb des von der Spektrometeroptik 4 auf die zweite Teilfläche 7 weitergeleiteten Spektralbereichs oder alternierend zu einem Auslesen der zweiten Teilfläche 7 des Bildsensors 5 leuchten.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der wie beim zuvor beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel die Lichtübertragung im Spektrometerstrahlengang mit abbildenden optischen Bauteilen erfolgt, ist in 3 schematisch gezeigt. Im Verhältnis zum zweiten Ausführungsbeispiel steht der astigmatische Spiegel 18 hier näher am Strahlteilerwürfel 2. Dabei wird durch die Apertur des Spiegels 18 der Spektralanalyseanteil des zweiten Teilstrahlenbündels 15 ausgewählt, d.h. derjenige Ausschnitt des Objektfelds ausgeschnitten, der vom Spektrometer erfasst wird. Im Zusammenwirken mit der Abbildungsoptik 1 wird von dem Spiegel 18 eine elliptische Abbildung eines Bildpunkts, insbesondere eine elliptische Abbildung eines kreisförmigen Ausschnitts des Objektfelds, auf dem auf der zweiten Teilfläche 7 des Bildsensors 5 angeordneten, in 3 nicht dargestellten LVF erzeugt. Zur Markierung des vom Spektrometer erfassten Ausschnitts kann das LVF mit einer umlaufendenden Beleuchtung umgeben sein, die das Markierungslicht erzeugt, oder es kann ein das LVF umgebendes hoch reflektives Element von einer Markierungslichtquelle angestrahlt werden (nicht dargestellt).
Gemäß einer nicht dargestellten Variante wird in der Anordnung gemäß 2a oder 3 der Spiegel 18 durch ein ebenes oder auch ein abbildendes Beugungsgitter ersetzt, das das ausgewählte Teilstrahlenbündel spektral zerlegt. Ähnlich wie in 2a bzw. 3 gezeigt, wird dabei das erzeugte Spektrum auf die zweite Teilfläche 7 des Bildsensors 5 gelenkt. Dabei ist eine Blende zur Begrenzung des Bildbereichs, dessen Spektrum erfasst wird, vorgesehen. Ein LVF ist hierbei nicht notwendig.
Bei den in den 1a bis 3 dargestellten Anordnungen wird jeweils ein Anteil des vom Objektfeld in das Endoskop bzw. Exoskop aufgenommenen Lichts vom Strahlteiler aus dem durchgehenden Strahlengang ausgekoppelt, um ein Spektrum aufzunehmen, während das Bild mittels eines transmittierten Lichtanteils erzeugt wird. Alternativ kann vom Strahlteiler ein Anteil des Lichts aus dem durchgehenden Strahlengang ausgekoppelt werden, um ein Bild aufzunehmen, während der Spektrometerstrahlengang nicht abgelenkt wird. So wird gemäß der in 4 dargestellten weiteren Ausführungsform der Erfindung das an der Teilerfläche 3 reflektierte Licht zur Erzeugung des Bilds auf der ersten Teilfläche 6 des Bildsensors 5 verwendet, während das transmittierte Licht den Spektrometerstrahlengang darstellt. Im Übrigen ist diese Anordnung wie die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufgebaut. Hierdurch kann eine in der Endoskopie besonders vorteilhafte geringe Baugröße realisiert werden, da in der Regel mehr Bauraum in Richtung der optischen Längsachse des Endoskops, die parallel zur optischen Achse des dem Strahlteilerwürfel 2 vorgeschalteten, in 4 nicht dargestellten optischen Systems verläuft, zur Verfügung steht als senkrecht dazu. In 4 ist die Abbildungsoptik nicht dargestellt. 4 zeigt eine Anordnung gemäß 2a, es kann aber auch eine entsprechende Anordnung mit den Bauelementen gemäß 1a oder 3 realisiert werden.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Endoskopsystems dargestellt. Das Endoskopsystem umfasst ein Endoskop 20, das einen langerstreckten Schaft 21 aufweist, der im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem starren Schaftrohr 22 ausgebildet ist; alternativ könnte das Endoskop einen halbstarren oder flexiblen Schaft aufweisen. Der distale Endbereich des Schafts 21 ist in 1 mit den Bezugszeichen 23 bezeichnet. Der proximale Endbereich des Endoskops 20 wird durch ein am proximalen Ende des Schafts 2 angeordnetes Handstück 24 gebildet, das bei einem endoskopischen Eingriff außerhalb des Körpers verbleibt. Im distalen Endbereich 23 des Schafts 21 ist eine wie zuvor beschrieben ausgebildete optische Beobachtungseinrichtung angeordnet, wobei das Endoskopobjektiv zugleich die Abbildungsoptik darstellt und die Signale des Bildsensors über im Schaftrohr 22 verlaufende elektrische Leitungen in das Handstück 24 übertragen werden; alternativ können im Schaftrohr 22 das Objektiv des Endoskops und ein optischer Bildweiterleiter, etwa ein oder mehrere Relaislinsensysteme, angeordnet sein, und der Strahlteiler, die Spektrometeroptik und der Bildsensor im Handstück 24 aufgenommen sein (nicht dargestellt). Das Handstück 24 ist über einen elektrischen Anschluss 25 mit einer Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung verbunden, die eine Auswertungs- und Versorgungseinheit 26, die zum Ansteuern des Bildsensors und zum Verarbeiten und Speichern der von dem Bildsensor aufgenommenen Bild- und Spektraldaten dient, und einen Bildschirm 27 zur Anzeige des endoskopischen Bilds und des aufgenommenen Spektrums für einen Benutzer umfasst. Weiterhin ist das Handstück 24 über einen Lichtanschluss 28 mit einer externen Beleuchtungslichtquelle 29 verbunden, die zur Erzeugung einer Weißlichtbeleuchtung sowie ggf. einer Fluoreszenzanregungsstrahlung dienen kann und die auch die Markierungslichtquelle enthalten kann.
In 5 ist ein Objektfeld 30 angedeutet, das mit dem Endoskop 20 beobachtet wird und von dem ausgehend ein Strahlenbündel 31 durch ein nicht dargestelltes Eintrittsfenster in das Endoskop 20 eintritt. Das Objektfeld 30 liegt näherungsweise in einer Objektebene 32. Das Objektfeld 30, das näherungsweise kreisförmig sein kann, wird auf der ersten Teilfläche des Bildsensors der in dem Endoskop 20 aufgenommenen optischen Beobachtungsanordnung abgebildet. Aus einem Ausschnitt 33 des Objektfelds 30, der ebenfalls kreisförmig sein kann, gelangt Licht in spektral zerlegter Form, beispielsweise als Spektrum, auf die zweite Teilfläche des Bildsensors. Das vom Bildsensor aufgenommene Bild des Objektfelds 30 und das aufgenommene Spektrum des Ausschnitts 33 werden auf dem Bildschirm 27 dargestellt. Dabei kann der Ausschnitt 33 durch ein von der Markierungslichtquelle erzeugtes Markierungslicht, das auf das Objektfeld 30 projiziert wird und den Ausschnitt 33 ringförmig umgibt, oder durch eine von der Auswertungs- und Versorgungseinheit 26 elektronisch erzeugte, in das angezeigte Bild des Objektfelds 30 eingeblendete ringförmige Markierung markiert werden.
Der Übersichtlichkeit halber sind nicht in allen Figuren alle Bauelemente dargestellt. Zu einer Figur nicht erläuterte Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in den übrigen Figuren.
Bezugszeichenliste

1: Abbildungsoptik
2: Strahlteiler
3: Teilerfläche
4: Spektrometeroptik
5: Bildsensor
6: Erste Teilfläche
7: Zweite Teilfläche
8: Glasstab
9: Lichtleitfaserbündel
10: LVF
11: Eintrittsgrenzfläche
12: Lichtleitfaser
13: Endfläche
14: Erstes Teilstrahlenbündel
15: Zweites Teilstrahlenbündel
16: Markierungsfaser
17: Feldblende
18: Spiegel
19: Ellipse
20: Endoskop
21: Schaft
22: Schaftrohr
23: Distaler Endbereich
24: Handstück
25: Elektrischer Anschluss
26: Auswertungs- und Versorgungseinheit
27: Bildschirm
28: Lichtanschluss
29: Beleuchtungslichtquelle
30: Objektfeld
31: Strahlenbündel
32: Objektebene
33: Ausschnitt

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

US 4054389 [0004]
WO 02/088645 A2 [0004]
US 6590660 B2 [0004]
EP 2609849 A1 [0006]

Claims

Optische Beobachtungsanordnung für ein Endoskop oder ein Exoskop, umfassend einen Strahlteiler zum Teilen eines von einem Objektfeld ausgehenden Strahlenbündels in ein erstes Teilstrahlenbündel (14) und ein zweites Teilstrahlenbündel (15), eine Abbildungsoptik (1) zum Erzeugen eines Bilds des Objektfelds mittels des ersten Teilstrahlenbündels (14), eine Spektrometeroptik (4) zum Zerlegen zumindest eines ausgewählten Anteils des zweiten Teilstrahlenbündels (15) in eine Mehrzahl spektral unterschiedlicher Anteile und einen Bildsensor (5) mit einer Sensorfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (1) zum Erzeugen des Bilds des Objektfelds auf einer ersten Teilfläche (6) der Sensorfläche und die Spektrometeroptik (4) zum Übertragen der Mehrzahl spektral unterschiedlicher Anteile auf unterschiedliche Teilbereiche einer zweiten Teilfläche (7) der Sensorfläche ausgebildet sind.
Optische Beobachtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektrometeroptik (4) ein linear variables Filter (LVF 10) oder ein Arrayed Waveguide Grating (AWG) umfasst.
Optische Beobachtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das LVF (10) bzw. das AWG unmittelbar auf der zweiten Teilfläche (7) der Sensorfläche angeordnet ist.
Optische Beobachtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektrometeroptik (4) ein Lichtleitfaserbündel (9) zum Übertragen zumindest des ausgewählten Anteils des zweiten Teilstrahlenbündels (15) zum LVF (10) bzw. zum AWG umfasst.
Optische Beobachtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektrometeroptik (4) mindestens ein Spiegelelement zum Übertragen zumindest des ausgewählten Anteils des zweiten Teilstrahlenbündels (15) zum LVF (10) bzw. zum AWG umfasst.
Optische Beobachtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Spiegelelement astigmatisch ausgebildet und/oder scannend betreibbar ist.
Optische Beobachtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgewählte Anteil durch eine Eintrittsapertur der Spektrometeroptik (4) ausgewählt ist.
Optische Beobachtungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsapertur der Spektrometeroptik (4) zumindest näherungsweise in einer Bildebene angeordnet ist.
Optische Beobachtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Beobachtungsanordnung eine Markierungseinrichtung umfasst, die zum Erzeugen eines Markierungslichts ausgebildet ist, das derart auf das Objektfeld übertragen werden kann, dass ein objektseitiges Bild der Eintrittsapertur der Spektrometeroptik (4) für einen Benutzer erkennbar markiert wird.
Optische Beobachtungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenlängenbereich des Markierungslichts außerhalb des Wellenlängenbereichs der von der Spektrometeroptik (4) auf die zweite Teilfläche (7) der Sensorfläche übertragbaren spektral unterschiedlichen Anteile liegt und/oder das Markierungslicht alternierend zur zweiten Teilfläche (7) der Sensorfläche aktivierbar ist.
Optische Beobachtungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10 in Kombination mit Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Markierungslicht als selbstleuchtender Rand oder ein von der Markierungslichtquelle beleuchtbarer Rand der Eintrittsapertur ausgebildet ist.
Kamera für ein Endoskop oder ein Exoskop, wobei die Kamera einen Strahlteiler zum Teilen eines vom Endoskop bzw. Exoskop in die Kamera eintretenden, von einem Objektfeld ausgehenden Strahlenbündels in ein erstes Teilstrahlenbündel (14) und ein zweites Teilstrahlenbündel (15), eine Abbildungsoptik zum Erzeugen eines Bilds des Objektfelds mittels des ersten Teilstrahlenbündels (14), eine Spektrometeroptik (4) zum Zerlegen zumindest eines ausgewählten Anteils des zweiten Teilstrahlenbündels (15) in eine Mehrzahl spektral unterschiedlicher Anteile und einen Bildsensor (5) mit einer Sensorfläche umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik zum Erzeugen des Bilds des Objektfelds auf einer ersten Teilfläche (6) der Sensorfläche ausgebildet ist und die Spektrometeroptik (4) zum Übertragen der Mehrzahl spektral unterschiedlicher Anteile auf unterschiedliche Teilbereiche einer zweiten Teilfläche (7) der Sensorfläche ausgebildet ist.
Endoskop oder Exoskop, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskop bzw. das Exoskop eine optische Beobachtungsanordnung und/oder eine Kamera gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Endoskopsystem oder Exoskopsystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskopsystem bzw. das Exoskopsystem ein Endoskop bzw. ein Exoskop gemäß Anspruch 13 umfasst sowie eine Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung, die zur Auswertung und Anzeige der vom Bildsensor der optischen Beobachtungseinrichtung erfassten Bild- und Spektraldaten ausgebildet ist.
Endoskopsystem oder Exoskopsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung derart eingerichtet ist, dass elektronisch eine Markierung in ein für einen Benutzer angezeigtes Bild eingeblendet wird, die denjenigen Bereich des Objektfelds markiert, aus dem Licht in den ausgewählten Anteil des zweiten Teilstrahlenbündels (15) gelangt.