DE102022112151B3

DE102022112151B3 - Bildgebendes Visualisierungssystem und zugehöriges Verfahren zum Betrieb einer Lichtquelle

Info

Publication number: DE102022112151B3
Application number: DE102022112151.8A
Authority: DE
Inventors: Johannes Bourbon; Julian Nehlich
Original assignee: Schoelly Fiberoptic GmbH
Current assignee: Schoelly Fiberoptic GmbH
Priority date: 2022-05-16
Filing date: 2022-05-16
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2042-05-17

Abstract

Zur Erzielung einer adaptiven Beleuchtung, die sich automatisch auf ein momentan gewähltes Zoom-Level eines Visualisierungssystems (1) einstellt, wird vorgeschlagen, ein Einstellelement (9) als Teil einer Lichtquelle (6) vorzusehen, welches die Anpassung eines Winkelspektrums (14) von Beleuchtungslicht (7) erlaubt, welches von der Lichtquelle (6) ausgeht und an eine Beleuchtungsoptik (3) des Visualisierungssystems (1) weitergeleitet wird, um ein momentanes Sichtfeld (8), welches mittels einer Abbildungsoptik (2) des Visualisierungssystems (1) beobachtbar ist, auszuleuchten. Hierbei kann das Visualisierungssystem (1) einen Controller (25) umfassen, der das Einstellmittel (9) in Abhängigkeit eines momentan mit der Abbildungsoptik (2) eingestellten Zoom-Levels verstellt, um so die Größe eines mit dem Beleuchtungslicht (7) ausgeleuchteten Beleuchtungsfelds (5) der Größe des momentanen Sichtfelds (8) nachzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft ein bildgebendes Visualisierungssystem, welches eine Abbildungsoptik mit variabler Brennweite, die eine Zoom-Funktionalität realisiert, und eine Beleuchtungsoptik zum Ausleuchten eines Beleuchtungsfelds, umfasst. Das Beleuchtungsfeld kann dabei (je nach Situation) ein mit der Abbildungsoptik beobachtbares Sichtfeld, vorzugsweise vollständig, abdecken. Ein solches Visualisierungssystem kann insbesondere als ein Exoskop, Mikroskop, Makroskop oder Endoskop ausgestaltet sein; es kann darüber hinaus auch zum stereoskopischen Abbilden von Objekten eingerichtet sein. In letzterem Fall kann die Abbildungsoptik somit mehrere optische Kanäle aufweisen, die ein stereoskopisches Sehen ermöglichen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer externen Lichtquelle eines Visualisierungssystems wie zuvor beschrieben.
Derartige Systeme sind vorbekannt und werden beispielsweise in der Operationsmikroskopie eingesetzt, um kleine Details eines Operationsgebiets für den Chirurgen zu visualisieren. Hierbei werden häufig auch Zoom-Optiken eingesetzt, die es erlauben, ein Sichtfeld in seiner Größe und damit auch die Bildvergrößerung bei der Bildgebung anzupassen („zoom in / zoom out“). Bei solchen Anwendungen kommen ferner auch Robotiksysteme zum Einsatz, die das Visualisierungssystem zum Patienten positionieren.
So beschreibt etwa DE 10 2007 054 686 A1 ein Operationsmikroskop mit integriertem Beleuchtungssystem, welches zum Ausleuchten eines Objektbereichs vorgesehen ist, der mit einer Beobachtungsoptik beobachtet wird.
DE 10 2009 039 434 A1 geht von einer externen großen Lichtquelle (z.B. einer Xenon-Lampe) für ein Operationsmikroskop aus, wobei eine Beleuchtungsoptik im Operationsmikroskop angeordnet ist, und schlägt ein „Lichtleiter-Überbrückungsstück“ vor, welches ermöglichen soll, dass eine kompakte LED angeschlossen werden kann, obwohl das Operationsmikroskop eigentlich für die größere externe Lichtquelle ausgelegt ist.
DE 20 2011 003 551 U1 offenbart ein Operationsmikroskop mit einem separaten Beleuchtungsmodul, wobei das Operationsmikroskop mit einem Lichtleiteranschluss ausgestattet ist, über den das Beleuchtungslicht von dem Beleuchtungsmodul ausgehend zu dem Objekt gelangt, welches mit dem Operationsmikroskop beobachtet wird.
Von diesem Hintergrund ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung solcher Systeme in Bezug auf die Handhabbarkeit aber auch in Bezug auf die Qualität der bereitgestellten Beleuchtung zu erzielen. Ferner soll, sofern möglich, Bauraum und Gewicht eingespart werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß bei einem Visualisierungssystem die Merkmale von Anspruch 1 vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einem Visualisierungssystem der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Visualisierungssystem eine externe, insbesondere stationär angeordnete, Lichtquelle umfasst, die die Beleuchtungsoptik mit Beleuchtungslicht versorgt und dass die Lichtquelle ein Einstellmittel zur Anpassung eines Winkelspektrums des von der Beleuchtungsoptik ausgehenden Beleuchtungslichts aufweist, insbesondere sodass mit dem Einstellmittel eine Größe des Beleuchtungsfelds an das mittels der Abbildungsoptik gewählte Sichtfeld, vorzugsweise automatisch, anpassbar ist. Ferner ist vorgesehen, dass das Einstellmittel, insbesondere eine strahlformende Optik, das Beleuchtungslicht in einen Lichtleiter einkoppelt, der das Beleuchtungslicht von der externen Lichtquelle zur Beleuchtungsoptik transportiert.
Hierbei kann das besagte Winkelspektrum eine gewisse Bandbreite an Beleuchtungswinkeln (beispielsweise eine kontinuierliche Verteilung von Beleuchtungswinkeln zwischen einem minimalen und einem maximalen Beleuchtungswinkel) umfassen, die vermittelt über die Beleuchtungsoptik das Sichtfeld der Abbildungsoptik, vorzugsweise kontinuierlich und/oder homogen, ausleuchten. D.h., die Beleuchtungsoptik kann Beleuchtungslichtstrahlen aussenden, die unter den besagten Beleuchtungswinkeln auf das Sichtfeld auftreffen.
Mit anderen Worten kann gemäß der Erfindung somit zur Lösung der Aufgabe vorgesehen sein, dass das Visualisierungssystem einen Lichtpfad bietet, der das von der externen Lichtquelle bereitgestellte Beleuchtungslicht auf das Sichtfeld lenkt, welches mit der Abbildungsoptik beobachtet werden kann. Hierbei kann der für das Beleuchtungslicht vorgesehene Lichtpfad vorzugsweise unveränderlich und/oder so ausgestaltet sein, dass das von der Lichtquelle vorgegebene Winkelspektrum (welches mit dem Einstellmittel anpassbar ist) erhalten bleibt.
Als wesentlicher technischer Vorteil ist hier zunächst zu nennen, dass die Erfindung eine Anpassung des Beleuchtungsfeld an das Sichtfeld ermöglicht. Hierdurch kann zum einen erreicht werden, dass die Intensität außerhalb des Sichtfeldes reduziert und somit Gewebeirritationen (durch zu hohen Intensitätseintrag) verhindert werden können. Zum anderen kann die zur Verfügung stehende Beleuchtungsenergie auf das Sichtfeld gebündelt werden und somit die Bestrahlungsstärke im Sichtfeld erhöht werden, ohne dass hierfür eine Erhöhung der Leistung der einzelnen Lichtquelle(n) notwendig wird.
Von Vorteil ist hierbei insbesondere, dass die Beleuchtungsoptik nicht verstellbar sein muss (somit kann die Beleuchtungsoptik insbesondere ausschließlich aus nichtverstellbaren optischen Elementen aufgebaut sein) und dass dennoch die Größe des Beleuchtungsfelds an ein momentan mit der variablen Abbildungsoptik eingestelltes Sichtfeld anpassbar ist. Des Weiteren ist es möglich, bestehende System mit der durch die Beleuchtungsoptik bereitgestellten Funktionalität zu erweitern und so auch bestehende Systeme mit einer anpassbaren Beleuchtung auszustatten.
Zudem kann so die Lichtquelle als separate Einheit entfernt von der Abbildungs- und Beleuchtungsoptik angeordnet werden. Dies bietet gerade in einer medizinischen OP-Situation Vorteile, da die Lichtquelle beispielsweise stationär sein kann, während die Abbildungs- und Beleuchtungsoptik von einem Roboterarm verschwenkt werden kann, also mobil ausgestaltet sein kann. Zudem ist es dadurch möglich, Bauraum im Bereich der Beleuchtungsoptik einzusparen. Ferner kann die Lichtquelle so in einem nicht-sterilen Bereich des OP-Raums angeordnet werden.
Eine Anpassung des Beleuchtungsfelds kann insbesondere durch Veränderung des Winkelspektrums an Beleuchtungslicht erzielt werden, welches von der Lichtquelle zur Beleuchtungsoptik gelangt. Die Übergabe des Beleuchtungslichts von der Lichtquelle zur Beleuchtungsoptik kann bevorzugt mittels eines Lichtleiters geschehen. Hierbei kann der Lichtleiter so gewählt werden und die Anpassung des Winkelspektrums gerade so erfolgen, dass das gesamte vom Einstellmittel vorbestimmte und später zur Beleuchtung genutzte Winkelspektrum vom Lichtleiter an die Beleuchtungsoptik weitergegeben wird.
Wie noch genauer erläutert wird, ist es durch diesen Ansatz insbesondere möglich, eine bestehende Intensitätsverteilung innerhalb des Beleuchtungsfelds zusammen mit dem Beleuchtungsfeld zu skalieren, insbesondere in Reaktion auf eine Anpassung des Zooms der Abbildungsoptik. Eine solche Anpassung kann insbesondere so erfolgen, dass bei Anpassung der Größe des Beleuchtungsfelds die Intensitätsverteilung qualitativ unverändert erhalten bleibt, also insbesondere einen unveränderten relativen Intensitätsverlauf zeigt. Alternativ ist es aber auch möglich, die Intensitätsverteilung qualitativ zu verändern, etwa um die Intensitätsverteilung gezielt an die Größe des Beleuchtungsfelds anzupassen. Beispielsweise kann so bei kleinen Beleuchtungsfeldern eine homogenere Ausleuchtung erzielt und bei großen Beleuchtungsfeldern ein gezielter Randabfall der Intensität erzeugt werden.
Das Visualisierungssystem, insbesondere die Abbildungs- und Beleuchtungsoptik, kann/können (mit Ausnahme der externen Lichtquelle und eines Lichtleiters zur Übermittlung des Beleuchtungslichts von der Lichtquelle zur Beleuchtungsoptik) autoklavierbar ausgestaltet sein, etwa zur Verwendung in medizinischen Anwendungen. Für die externe Lichtquelle samt Einstellmittel ist dies hingegen gerade nicht erforderlich, was die technischen Anforderungen an die Lichtquelle deutlich reduziert.
Ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Einstellmittel kann refraktive, diffraktive, oder lichtstreuende Elemente umfassen, genauso wie optische Filter, Polarisationsoptiken oder optische Spiegel.
Zum Verstellen des Einstellmittels sind sowohl elektrische Stellmotoren, ein mechanisches Handrad oder auch ein magnetischer Aktor einsetzbar. Im einfachsten Fall kann auch eine 2-Stufen-Verstellung implementiert sein, die lediglich zwei mögliche Winkelspektren erlaubt. Bevorzugt ist jedoch eine stufenlose Verstellung des Einstellmittels, da typischerweise auch das Sichtfeld stufenlos anpassbar sein soll, etwa wenn der optische Zoom der Abbildungsoptik stufenlos ausgestaltet ist.
Erfindungsgemäß kann die Aufgabe auch durch weitere vorteilhafte Ausführungen gemäß den Unteransprüchen gelöst werden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass in einer ersten, vorzugsweise statischen, Stellung des Einstellmittels ein erstes Winkelspektrum von Beleuchtungslicht und in einer zweiten, vorzugsweise (ebenfalls) statischen, Stellung des Einstellmittels ein zweites von dem ersten Winkelspektrum abweichendes Winkelspektrum von Beleuchtungslicht von der Lichtquelle zur Beleuchtungsoptik gelangt. Hierbei kann das zweite Winkelspektrum insbesondere innerhalb des ersten Winkelspektrums liegen und/oder kleiner als das erste Winkelspektrum sein. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht dabei vor, dass das erste und das zweite Winkelspektrum jeweils symmetrisch um einen Zentrumspunkt verteilt sind.
Bevorzugt kann das Einstellmittel stufenlos von der ersten bis in die zweite Stellung verstellbar sein, wobei auch sämtliche Zwischenstellungen statisch gehalten werden können.
Das Visualisierungssystem kann ferner so ausgestaltet sein, dass durch Verändern der Brennweite der Abbildungsoptik eine Größe des momentan beobachtbaren Sichtfelds, vorzugsweise stufenlos, anpassbar ist. In einem solchen Fall kann das Einstellmittel bevorzugt so ausgestaltet sein, dass es eine korrespondierende, vorzugsweise stufenlose, Anpassung der Größe des Beleuchtungsfelds erlaubt.
Hierbei kann vorgesehen sein, das mit Hilfe des Einstellmittels eine Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts innerhalb eines mit der Abbildungsoptik beobachtbaren Objektfelds (vorzugsweise stufenlos) skalierbar ist. Dieses Skalieren kann geschehen, ohne dass dabei die Intensitätsverteilung qualitativ verändert wird.
Das Einstellmittel kann aber auch so ausgestaltet sein, dass die Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts (im Objektfeld) gezielt angepasst und somit qualitativ verändert werden kann. Dadurch kann beispielsweise ein Randabfall der Intensitätsverteilung gezielt eingestellt werden. Beispielsweise kann bei vergleichsweise kleinem Zoomlevel (großes Sichtfeld) ein höherer Randabfall der Intensität akzeptable sein als bei großem Zoomlevel (kleines Sichtfeld). Denn bei großem Zoomlevel muss in der Regele eine hohe Homogenität der Beleuchtung erzielt werden, um qualitativ gute Bilder aufnehmen zu können.
Das Einstellmittel kann zum Beispiel als eine (vorzugsweise stufenlos) verstellbare strahlformende Optik ausgebildet sein. Hierbei kann mit der strahlformenden Optik ein maximaler Beleuchtungswinkel, unter dem das Beleuchtungslicht aus der Beleuchtungsoptik austritt, vorzugsweise stufenlos, einstellbar sein.
Die verstellbare strahlformende Optik kann hierzu beispielsweise wenigstens eine axial verschiebliche Linse aufweisen. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht hingegen vor, dass die strahlformende Optik mittels mindestens zweier axial zueinander verschieblicher Linsen (also auch z.B. Linsengruppen) ausgebildet ist. Hierbei kann durch Verschieben der wenigstens einen axial verschieblichen Linse der maximale Beleuchtungswinkel anpassbar sein bzw. angepasst werden.
Wie bereits eingangs erwähnt, koppelt das Einstellmittel, also insbesondere die zuvor erläuterte strahlformende Optik, das Beleuchtungslicht in einen Lichtleiter ein, der das Beleuchtungslicht von der Lichtquelle zur Beleuchtungsoptik transportiert. Dieser Lichtleiter kann zum Beispiel entlang eines Roboterarms geführt sein, der die Beleuchtungsoptik zusammen mit der Abbildungsoptik im Raum bewegt. Hierbei kann die Lichtquelle statisch positioniert sein oder aber ebenfalls von Roboterarm getragen werden.
Die Lichtquelle und/oder die Beleuchtungsoptik kann/können auch über ein Koppelmittel zum Ankoppeln des Lichtleiters verfügen. Dies erlaubt es, diese Komponenten vom Lichtleiter zu trennen, etwa wenn diese gereinigt bzw. desinfiziert werden müssen. Auch die Instandhaltung/Service und der Auf- und Abbau des Systems sind mit einem abkoppelbaren Lichtleiter einfacher zu bewerkstelligen.
Auch die Beleuchtungsoptik kann so ausgestaltet sein, dass sie vom Lichtleiter abkoppelbar ist. Dadurch kann die Beleuchtungsoptik separat autoklaviert werden.
Der Lichtleiter kann beispielsweise einen oder aber mehrere lichtleitende Durchmesser aufweisen. Je nach Anwendung kann der Lichtleiter auch unterschiedlich große Akzeptanzwinkel aufweisen, wobei der Akzeptanzwinkel stets mindestens so groß sein sollte, wie der zu übertragende maximale Beleuchtungswinkel.
Gemäß einer Ausgestaltung kann der Lichtleiter ein Faserlichtleiter oder beispielsweise ein Flüssiglichtleiter sein. In solchen Fällen ist es besonders bevorzugt, wenn der Lichtleiter ein übertragbares Winkelspektrum von wenigstens +/- 25° bietet, um eine effiziente Einkopplung des Lichts in den Lichtleiter und eine signifikante Anpassbarkeit der Beleuchtungswinkel zu ermöglichen.
Der Lichtleiter kann ferner so gewählt sein, dass in jeder möglichen Stellung des Einstellmittels der Lichtquelle das von der Lichtquelle gelieferte und mit dem Einstellmittel festgelegte Winkelspektrum vollständig an die Beleuchtungsoptik übertragen wird. In diesem Fall begrenzt der Lichtleiter somit gerade nicht die Bandbreite an Winkeln, die von der Lichtquelle zur Beleuchtungsoptik übertragen werden können.
Die Abbildungsoptik und die Beleuchtungsoptik können ferner wenigstens ein gemeinsames optisches Element, beispielsweise eine (gemeinsame) Linse aufweisen, durch welches sowohl Beleuchtungslichtstrahlen als auch Abbildungslichtstrahlen verlaufen. D.h., die Erfindung schlägt insbesondere vor, das wenigstens eine gemeinsame optische Element zur Formung eines Abbildungsstrahlengangs und gleichzeitig zur Formung eines Beleuchtungsstrahlengangs einzusetzen. Dies bringt Vorteile in Bezug auf die Kompaktheit und das Gewicht des Visualisierungssystems.
Die Lichtquelle kann zum Beispiel inkohärentes Weißlicht als Beleuchtungslicht zur Verfügung stellen. Alternativ oder ergänzend kann die Lichtquelle aber auch kohärentes Licht und/oder ein Anregungslicht (etwa zum Anregen einer Fluoreszenz) und/oder nicht sichtbares Licht als Beleuchtungslicht zur Verfügung stellen. In allen diesen Fällen ist es bevorzugt, wenn der Lichtleiter zur Übermittlung eines von der Lichtquelle gelieferten Spektrums eingerichtet ist, also zum Beispiel bei Verwendung einer Weißlichtquelle idealerweise den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich übertragen kann.
Das Einstellmittel kann schließlich so auf den verwendeten Lichtleiter abgestimmt sein, dass dann, wenn das Einstellmittel ein minimales Beleuchtungswinkelspektrum vorgibt, ein eintrittsseitiger Beleuchtungslichtkegel höchstens eine Endfläche des Lichtleiters voll ausleuchtet. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die Einkopplung effizient erfolgen kann, Koppelverluste bei der Einkopplung vermindert werden, und so das Licht der Lichtquelle effizient ausgenutzt wird.
Die Lichtquelle kann auch über einen Aktor verfügen, der der Verstellung des Einstellmittels dient bzw. hierfür eingerichtet ist. Ein solcher Aktor kann beispielsweise manuell betätigbar ausgestaltet sein, zum Beispiel als mechanisches Drehrad. Bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung des Aktors derart, dass der Aktor über ein Steuersignal steuerbar ist. Beispielsweise kann der Aktor als elektrischer Schrittmotor, insbesondere als Linearmotor, ausgestaltet sein, etwa um eine Linsenposition zu verstellen. Denn in solchen Fällen kann ein Controller des Visualisierungssystems steuernd auf den Aktor zugreifen und damit automatisiert das Einstellmittel der Lichtquelle verstellen, um so das Winkelspektrum der Beleuchtung anzupassen.
Das Visualisierungssystem kann somit auch einen Controller umfassen, der dazu eingerichtet ist, das Einstellmittel in Abhängigkeit einer momentan mit der Abbildungsoptik eingestellten Brennweite, also insbesondere in Abhängigkeit eines momentanen Zoomlevels der Abbildungsoptik, zu verstellen. Zu diesem Zweck kann der Controller entsprechende Steuersignale an den zuvor beschriebenen Aktor senden, um so das Einstellmittel der Lichtquelle zu verstellen. In diesem Fall kann somit eine elektronische Feedback-Schleife eingerichtet sein, die das Einstellen des Winkelspektrums mit Hilfe des Einstellmittels in Abhängigkeit der (beispielsweise gerade vom Benutzer gewählten) Brennweite der Abbildungsoptik erlaubt. Zu diesem Zweck kann die Abbildungsoptik auch über eine Sensorik verfügen (etwa implementiert in einem Stellmotor, der die Brennweite der Abbildungsoptik verstellt und damit das Zoomlevel anpasst), die ein sensorisches Auslesen der momentan eingestellten Brennweite (und damit des Zoomlevels) erlaubt.
Der Controller kann beispielsweise in der Lichtquelle selbst oder zum Beispiel in einer Kamerasteuerungseinheit (camera control unit = CCU) angeordnet bzw. implementiert sein. Der Controller kann ferner insbesondere dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit eines Steuersignals (welches mit einem momentan verwendeten Sichtfeld der Abbildungsoptik korreliert) den Aktor zum Verstellen des Einstellmittels, insbesondere der besagten Strahlformoptik, anzusteuern. Das Steuersignal kann beispielsweise auf einer sensorischen Erfassung einer momentanen Einstellposition der Abbildungsoptik (insbesondere einer Zoom-Optik der Abbildungsoptik) basieren, insbesondere wie zuvor erläutert, oder durch entsprechende Steuerbefehle ausgelöst werden (die beispielsweise auf eine Benutzereingabe zurückgehen), die dem Verstellen der Abbildungsoptik / der Anpassung des Zoom-Levels dienen. Der Controller kann insbesondere auch von einer Recheneinheit einer Kamerasteuerungseinheit (camera control unit = CCU) ausgebildet sein. Die besagte Kamerasteuerungseinheit kann dazu dienen, einen Bildsensor des Visualisierungssystems anzusteuern und/oder auszulesen. Dadurch kann ein Videokamerasystem implementiert werden.
Um eine kompakte Bauform zu erreichen, kann ferner vorgesehen sein, dass die Abbildungsoptik des Visualisierungssystems die Beleuchtungsoptik teilweise oder sogar vollständig ausbildet.
Zur Lösung der genannten Aufgabe sind auch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 17 vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, dass die Lichtquelle des Visualisierungssystems das besagte Einstellelement aufweist, mit dem ein Winkelspektrum von Beleuchtungslicht, welches von der Lichtquelle ausgeht, anpassbar ist; und dass ein maximaler Beleuchtungswinkel, mit dem das Beleuchtungslicht der Lichtquelle weitergeleitet wird, um ein Beleuchtungsfeld auszuleuchten, in Abhängigkeit eines momentanen Sichtfelds einer variablen Abbildungsoptik des Visualisierungssystems mit dem Einstellelement eingestellt wird, wobei das Sichtfeld mit Hilfe der variablen Abbildungsoptik (also durch entsprechende Verstimmung der Abbildungsoptik) eingestellt wird, beziehungsweise ist. Hierbei kann der maximale Beleuchtungswinkel gerade derjenige Winkel sein, unter dem das Beleuchtungslicht in den besagten Lichtleiter des Visualisierungssystems eingekoppelt wird. Der Lichtleiter transportiert dabei das Licht der Lichtquelle zur Beleuchtungsoptik, die das Sichtfeld mit dem Beleuchtungslicht der Lichtquelle ausleuchtet.
Durch dieses Verfahren ist es insbesondere möglich, eine Größe eines mit dem Beleuchtungslicht ausgeleuchteten Beleuchtungsfelds stets so auf das momentan verwendete Sichtfeld anzupassen, dass ein relativer Abfall der Beleuchtungslichtintensität am Rand des Sichtfelds annähernd oder sogar exakt konstant gehalten werden kann. Hierdurch kann einerseits eine starke Vignettierung vermieden werden, für den Fall, dass ein großes Sichtfeld gewählt ist (Zoom out); andererseits kann aber bei kleinem Sichtfeld (Zoom in) ein unerwünschter Lichteintrag in nicht beobachtete Bereiche des Objektfelds vermieden werden, was gerade in medizinischen Anwendungen vorteilhaft ist, um eine unerwünschte Erwärmung von Gewebe und die damit einhergehende Schädigung des umliegenden Gewebes zu verhindern.
Steigt in diesem Fall, also bei korrespondierender Verkleinerung des Beleuchtungsfelds, die Lichtintensität zum Beispiel im Zentrum des Sichtfelds zu stark an, kann zusätzlich eine Lichtleistung der Lichtquelle herunter geregelt werden. Mittels einer Reduktion der von der Lichtquelle abgegebenen Lichtleistung kann somit gerade in medizinischen Anwendungen ein übermäßiger Lichteintrag in das Gewebe vermieden werden.
Da eine Bildsensorfläche, die zur Aufnahme von Bildern des Sichtfelds verwendet wird, in der Regel konstant (von Abbildungsstrahlen) ausgeleuchtet wird, unabhängig vom momentan eingestellten Sichtfeld, kann noch zusätzlich die Belichtungszeit und/oder der „elektronische gain“ erhöht werden, oder es kann schlicht mehr Licht von der Lichtquelle abgegeben werden, um so zusätzlich noch die Beleuchtungslichtintensität im Sichtfeld zu optimieren. Eine geeignete Regelschleife kann etwa vorsehen, dass dann, wenn das Winkelspektrum des Beleuchtungslichts vergrößert wird (etwa in Folge eines Zoom-out) und somit die Lichtintensität im Zentrum absinkt, die Belichtungszeit und/oder der gain und/oder die Beleuchtungslichtmenge erhöht wird. Mit anderen Worten kann in dem Verfahren somit vorgesehen sein, dass eine elektronische Verstärkung (electronic gain) und/oder eine Belichtungszeit, die jeweils zum Aufzeichnen von Bildern mit Hilfe eines Bildsensors verwendet wird, und/oder eine verwendete Beleuchtungslichtmenge in Abhängigkeit eines momentanen von der Lichtquelle des Visualisierungssystems bereitgestellten Winkelspektrums und/oder in Abhängigkeit einer Verstellung des Einstellmittels der Lichtquelle, angepasst wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann die Einstellung des maximalen Beleuchtungswinkels (und damit des an die Beleuchtungsoptik weitergegebenen Winkelspektrums) derart vollzogen werden, dass bei Vergrößerung des Sichtfelds (zoom-out) der maximale Beleuchtungswinkel erhöht wird. Umgekehrt kann bei Verkleinerung des Sichtfelds (zoom-in) der maximale Beleuchtungswinkel verkleinert werden. Im letzteren Fall entsteht somit ein schlankerer Beleuchtungslichtkegel, im ersteren Fall ein breiterer.
Eine weiter Ausgestaltung sieht vor, dass die Einstellung derart vorgenommen wird, dass ein Quotient aus einer Größe des Beleuchtungsfelds und einer Größe des Sichtfelds innerhalb einer Abweichung von +/- 20%, vorzugsweise von +/- 10%, konstant bleibt. Die Größe kann sich dabei beispielsweise auf eine jeweilige Breite oder Höhe oder Diagonale beziehen. Bei diesem Ansatz kann somit die Größe des Beleuchtungsfelds der Größe des Sichtfelds stets nachgeführt werden, sobald die Abweichung die besagte Grenze von +/- 20% bzw. +/- 10% überschreitet. Hierbei kann sich unter Umständen auch der Verlauf der Intensität innerhalb des Beleuchtungsfelds qualitativ ändern.
Es kann somit generell vorgesehen sein, dass die Anpassung des Winkelspektrums derart erfolgt, dass eine Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts qualitativ verändert wird.
Das Einstellmittel kann zur Anpassung des Winkelspektrums, insbesondere des maximalen Beleuchtungswinkels, zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung, vorzugsweise stufenlos, verstellt werden. Die Anpassung des maximalen Beleuchtungswinkels kann während dieser Verstellung derart geschehen, dass sich ein relativer Randabfall der Intensität des Beleuchtungslichts um weniger als 40%, vorzugsweise um weniger als 20%, ändert. Hierbei kann der relative Randabfall beispielsweise als Quotient einer Intensität des Beleuchtungslichts im Zentrum des Sichtfelds und einer Intensität des Beleuchtungslichts auf dem äußersten Rand des Sichtfelds, definiert sein bzw. gemessen werden.
In Folge der Verstellung des Einstellmittels / der Anpassung des Winkelspektrums kann sich der Verlauf der Intensität qualitativ ändern, etwa um die Homogenität der Beleuchtung innerhalb des Sichtfelds gezielt anzupassen / zu verändern. Dies kann insbesondere vorkommen bei einer wie zuvor erwähnten Verstellung des Einstellelements, die den Randabfall innerhalb gewisser Grenzen hält.
Um diese Vorgabe zu erreichen kann insbesondere vorgesehen sein, dass durch entsprechende Anpassung des maximalen Beleuchtungswinkels (abhängig von der konkret verwendeten Beleuchtungsoptik und der Arbeitsdistanz zwischen beobachtetem Objekt und Beleuchtungsoptik) eine Größe des Beleuchtungsfelds korrespondierend zur momentanen Größe des Sichtfelds skaliert wird. Wird die Größe des Beleuchtungsfelds etwa anhand der Intensität bestimmt, die 1/10 des Intensitätsmaximums beträgt (z.B. bei nach außen hin abfallender Intensität), so kann es für eine homogene Beleuchtung des Sichtfelds vorteilhaft sein, wenn die Größe des Beleuchtungsfelds diejenige des Sichtfelds übersteigt. Auch in diesem Fall können beide Größen aber korrespondierend aufeinander angepasst werden, sodass die Größe des Beleuchtungsfelds stets der momentanen Größe des Sichtfelds folgt.
Es sei abschließend noch angemerkt, dass es besonders günstig ist, wenn in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein erfindungsgemäßes Visualisierungssystem, insbesondere wie zuvor beschrieben oder nach einem der auf ein solches System gerichteten Ansprüche, verwendet wird. Das heißt die mit Bezug auf das Verfahren beschriebenen Komponenten können insbesondere Komponenten eines erfindungsgemäßen Visualisierungssystems sein. Umgekehrt kann der zuvor beschriebene Controller eines erfindungsgemäßen Visualisierungssystems gerade so eingerichtet sein, dass der Controller ein erfindungsgemäßes Verfahren wie hier beschrieben, also insbesondere gemäß einem der Verfahrensansprüche, implementiert.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ist aber nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausbildungen der Erfindung können aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der allgemeinen Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen gewonnen werden.
Bei der folgenden Beschreibung verschiedener bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung erhalten in ihrer Funktion übereinstimmende Elemente auch bei abweichender Gestaltung oder Formgebung übereinstimmende Bezugszahlen.
Es zeigt:

1 eine Illustration einer typischen Anwendungssituation eines bildgebenden erfindungsgemäßen Visualisierungssystems,
2 eine schematische Illustration des erfindungsgemäßen Visualisierungssystem aus 1, welches eine externe Lichtquelle umfasst,
3 das Visualisierungssystem der 2, wobei im Vergleich zur 2 das zur Beleuchtung eingesetzte Winkelspektrum mithilfe der Lichtquelle angepasst worden ist,
4 eine Seitenansicht auf einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen bildgebenden Visualisierungssystems,
5 eine analoge Ansicht zu derjenigen der 4, wobei im Vergleich zur 4 das zur Beleuchtung eingesetzte Winkelspektrum angepasst wurde.

Die 1 zeigt eine Anwendung der Erfindung bei einem medizinischen Eingriff an einem Patienten 22. Wie in der 1 schematisch illustriert ist, überwacht ein Chirurg anhand eines Live-Bilds auf einem Monitor 19 ein Operationsgebiet am Kopf des Patienten 22 mithilfe eines erfindungsgemäßen bildgebenden Visualisierungssystems 1, welches eine Abbildungsoptik 2 und eine Beleuchtungsoptik 3 umfasst. Die Abbildungsoptik 2 und die Beleuchtungsoptik 3 sind in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst und werden von einem Roboterarm 18 eines Robotiksystems 17 über dem Kopf des Patienten 22 in variablen Arbeitsabständen zum Operationsgebiet positioniert. Eine externe Lichtquelle 6, die in einem Rollwagen 21 angeordnet ist, versorgt die Beleuchtungsoptik 3 über einen Lichtleiter 11, der entlang des Roboterarms 18 bis zur Beleuchtungsoptik 3 geführt ist, mit Beleuchtungslicht 7, welches entlang der illustrierten optischen z-Achse 24 ausgesandt wird. Hierbei entspricht diese z-Achse 24 auch näherungsweise der Blickrichtung der Abbildungsoptik 2 (der Winkelversatz zwischen beiden Achsen beträgt typischerweise weniger als 10°), die ein Bild des Operationsgebiets auf einen Bildsensor des bildgebenden Visualisierungssystems 1 abbildet.
Das bildgebende Visualisierungssystem 1 ist in 1 als ein Mikroskop ausgestaltet und realisiert mithilfe eines Bildsensors eine Videokamera 23, die über die im Rollwagen 21 angeordnete Kamerasteuerungseinheit CCU 20 ausgelesen wird.
Die CCU 20 liefert das vom Bildsensor erzeugte Live-Bild an den Monitor 19 weiter (wobei eine Zwischenverarbeitung stattfindet), wo es vom Operateur beobachtet werden kann.
Die Abbildungsoptik 2 des Visualisierungssystems 1 weist dabei eine variable Brennweite auf, die eine optische Zoom-Funktionalität ermöglicht. Hierzu kann der Operateur steuernd auf eine verstimmbare Zoom-Optik einwirken, die mittels eines Zoom-Aktuators verstellbar ist. Dadurch kann der Operateur je nach Wunsch mehr oder weniger stark in das Operationsgebiet hineinzoomen (zoom-in/zoom-out). Entsprechend ändert sich in Abhängigkeit eines momentanen Zoom-Levels die Bildvergrößerung und damit auch das Sichtfeld 8, welches mit der Abbildungsoptik 2 beobachtbar ist und auf dem Monitor 19 als Live-Bild angezeigt wird.
Die Beleuchtungsoptik 3 ist so ausgelegt, dass sie ein zweidimensionales Beleuchtungsfeld 5 ausleuchtet (angedeutet durch die gestrichelten Randstrahlen in 1), welches das zu beobachtende Operationsgebiet abdeckt. Hierbei ist das Beleuchtungsfeld 5 so gewählt, dass das mit dem Bildsensor des Visualisierungssystems 1 abgebildete/beobachtbare Sichtfeld 8 stets vollständig mit Beleuchtungslicht 7 der Lichtquelle 6 ausgeleuchtet wird (Vgl. die Schnittansichten der 4 und 5).
Der Operateur als Benutzer des Visualisierungssystems 1 kann durch eine entsprechende Benutzereingabe die Zoom-Optik der Abbildungsoptik 2 so verstellen, dass das Sichtfeld 8 dem vom ihm gewünschten Sichtfeld entspricht. Mit anderen Worten wird also das Sichtfeld 8 mithilfe der variablen Abbildungsoptik 2 eingestellt.
Um nun zu ermöglichen, dass sich die Größe des Beleuchtungsfelds 5 automatisch an die Größe des momentanen Sichtfelds 8 anpasst, wobei die Größe des Sichtfelds 8 vom momentanen Zoom-Level abhängt, wird ein Winkelspektrum 14 des Beleuchtungslichts 7, welches von der Beleuchtungsoptik 3 ausgeht und schlussendlich auf das Beleuchtungsfeld 5 fällt (Vgl. dazu die 2 und 3), mithilfe eines Einstellmittels 9 der Lichtquelle 6 angepasst. Damit dies automatisiert passiert, umfasst die CCU 20 einen Controller 25, der über eine bidirektionale Schnittstelle 26 steuernd auf das Einstellmittel 9 der Lichtquelle 6 zugreifen kann, um das Winkelspektrum 14 zu verändern. Der Controller 25 ist dabei dazu eingerichtet, dass momentan eingestellte Zoom-Level der Abbildungsoptik 2 auszulesen und in Abhängigkeit des Zoom-Levels das Einstellmittel 9 anzusteuern, um das Winkelspektrum 14 anzupassen. Das momentane Sichtfeld 8 hängt dabei jeweils vom aktuellen Zoom-Level ab. Der Controller 25 kann somit die Größe des Beleuchtungsfeld 5 durch entsprechendes Ansteuern des Einstellmittels 9 der Lichtquelle 6 automatisch und fortlaufend an das mittels der Abbildungsoptik 2 gewählte Sichtfeld 8 anpassen.
Damit der Controller 25 das Einstellmittel 9 in Abhängigkeit der momentanen mit der Abbildungsoptik 2 eingestellten Brennweite und damit dem aktuellen Zoom-Level verstellen kann, verfügt die Lichtquelle 6 über einen Aktor, mit dem das Einstellmittel 9 verstellbar ist. Der Controller 25 kann hierzu (z.B. fortlaufend oder in regelmäßigen Abständen und/oder in Reaktion auf eine Änderung des Sichtfelds) das momentan eingestellte Zoom-Level der Abbildungsoptik 2 auslesen und sendet entsprechende Steuersignale an den Aktor, um so das Winkelspektrum 14 entsprechend anzupassen. Das aktuelle Zoom-Level ergibt sich dabei aus der momentanen Verstellung der Zoomoptik, die Teil der Abbildungsoptik 2 ist, d.h. aus der momentan eingestellten Brennweite der Abbildungsoptik 2.
Durch die vom Controller 25 realisierte Anpassung des Winkelspektrums 14 wird insbesondere ein maximaler Beleuchtungswinkel 13 (vgl. die 2 und 3) festgelegt, mit dem das Beleuchtungslicht 7 der Lichtquelle 6 in den Lichtleiter 11 eingekoppelt und bis zur Beleuchtungsoptik 3 weitergeleitet wird. Dieser Beleuchtungswinkel 13 entspricht auch dem maximalen Einfallswinkel, unter dem das Beleuchtungslicht 7 auf das Operationsgebiet, genauer das Objektfeld 4 (Vgl. 1) fällt.
Die 2 zeigt weitere Details des erfindungsgemäßen Visualisierungssystems 1, wobei die Darstellung zur besseren Verständlichkeit schematisiert ist und nicht die gesamte Länge des Lichtleiters 11 gezeigt ist, der, wie in 1 zu sehen, dem aktuellen Verlauf des Roboterarms 18 folgt. Wie die 2 zeigt, umfasst die Lichtquelle 6 eine Weißlichtquelle 27, die ein Beleuchtungslichtspektrum im sichtbaren Bereich abgibt, sowie zwei in axialer Richtung verschiebbare Linsen 12, die eine strahlformende Optik 10 ausbilden. Die Lichtquelle 6 stellt somit inkohärentes Weißlicht als Beleuchtungslicht 7 zur Verfügung, wobei der Lichtleiter 11 so gewählt ist, dass er das gesamte von der Lichtquelle 6 gelieferte Spektrum an die Beleuchtungsoptik 3 übermitteln kann. Selbstverständlich könnte die Lichtquelle, je nach Erfordernis der Anwendung, auch nicht-sichtbares oder nichtweißes Licht (innerhalb eines begrenzten Wellenlängenspektrums) bereitstellen. Auch in solchen Fällen kann die Erfindung eingesetzt werden.
Wie der Vergleich der 2 mit der 3 zeigt, ist das Einstellmittel 9 somit durch die beiden axial verschieblichen Linsen 12 realisiert. Das heißt, dass Einstellmittel 9 ist als eine stufenlos verstellbare strahlformende Optik 10 ausgebildet, wobei, wie im jeweiligen rechten Bereich der 2/3 zu sehen ist, mit der strahlformenden Optik 10 der maximale Beleuchtungswinkel 13 stufenlos einstellbar ist, unter dem das Beleuchtungslicht 7 aus der Beleuchtungsoptik 3 austritt. Eine technisch äquivalentes Einstellmittel 9 könnte beispielsweise auch mit einer verstellbaren Spiegel-Optik realisiert werden. Zudem kann die Verstellung in bestimmten Anwendungen auch in Stufen erfolgen und selbstverständlich können auch mehr als zwei Linsen oder Spiegeloptiken eingesetzt werden.
In der ersten statischen Stellung des Einstellmittels 9, die in 2 gezeigt ist, gelangt somit ein erstes Winkelspektrum 14a von Beleuchtungslicht 7 von der Lichtquelle 6, vermittelt über den Lichtleiter 11, bis zur Beleuchtungsoptik 3. In der zweiten, ebenfalls statischen, Stellung des Einstellmittels 9, die in 3 gezeigt ist, gelangt hingegen ein zweites Winkelspektrum 14b von der Lichtquelle 6 zur Beleuchtungsoptik 3, das von dem ersten Wickelspektrum 14a abweicht. Wie zu erkennen ist, liegt das zweite Winkelspektrum 14b innerhalb des ersten Winkelspektrums 14a und weist eine kleinere Bandbreite (an Winkeln) auf, insbesondere ist der maximale Beleuchtungswinkel 13 β im Fall der 3 kleiner als der korrespondierende maximale Beleuchtungswinkel 13 α in der Situation der 2.
Um möglichst kein Beleuchtungslicht 7 zu verlieren ist das Einstellmittel 9, genauer die strahlformende Optik 10, so auf den verwendeten Lichtleiter 11, genauer dessen eingangsseitige Endfläche, abgestimmt, dass in der in 3 gezeigten Situation, bei welcher das Einstellmittel 9 gerade ein (bezogen auf die Bandbreite) minimales Beleuchtungswinkelspektrum 14b vorgibt, der eintrittsseitige Beleuchtungslichtkegel (bezogen auf den Lichtleiter 11), der von der rechten Linse 12 ausgeht, die Endfläche des Lichtleiters 11 nahezu voll ausleuchtet, jedoch kein Licht über die Endfläche hinaus aussendet.
Auch wenn dies in den 2 und 3 nicht illustriert ist, ist einfach vorstellbar, dass eine kontinuierliche Anpassung des Abstands zwischen den beiden Linsen 12 des Einstellmittels 9 eine stufenlose Anpassung der Größe des Beleuchtungsfelds 5 erlaubt, welches mithilfe der Beleuchtungsoptik 3 ausgeleuchtet wird. Denn wie in den 2 und 3 zu erkennen ist, hängt die Größe des Beleuchtungslichtkegels, der von der Beleuchtungsoptik 3 ausgeht, vom Winkelspektrum 14 ab, welches von der Lichtquelle 6 über den Lichtleiter 11 zur Beleuchtungsoptik 3 übertragen wird. Vorteilhaft an diesem Konzept ist insbesondere, dass die Beleuchtungsoptik 3 keinerlei verstellbare optische Elemente aufweisen muss und daher sehr kompakt und einfach ausgebildet werden kann. Da sich zudem bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel (es könnten alternativ auch streng getrennte Optiken verwendet werden) die Abbildungsoptik 2 und die Beleuchtungsoptik 3 ein gemeinsames optisches Element, nämlich eine Linse, teilen, durch die sowohl Beleuchtungslichtstrahlen als auch Abbildungslichtstrahlen verlaufen, können die optischen Komponenten sehr kompakt am distalen Ende des Roboterarms 18 angeordnet werden und weisen zudem ein geringes Gewicht auf.
Durch die stufenlose Verstellung des Einstellmittels 9 kann auch der maximale Beleuchtungswinkel 13 zwischen den Werten α und β stufenlos eingestellt werden, wie man anhand der 2 und 3 erkennt. Damit dies gelingt, ist der Lichtleiter 11 zudem so gewählt, dass in allen möglichen Stellungen des Einstellmittels 9, die in dem Kontinuum zwischen den 2 und 3 möglich sind, dass von der Lichtquelle 6 gelieferte Winkelspektrum 14 jeweils vollständig an die Beleuchtungsoptik 3 übertragen wird. Somit begrenzt der Lichtleiter 11 gerade nicht das jeweilige Winkelspektrum 14.
Die Beleuchtungsoptik 3 weist ferner ein Koppelmittel auf, dass dem Ankoppeln des Lichtleiters 11 dient. Dadurch kann der Lichtleiter 11 wahlweise an die Beleuchtungsoptik 3 angekoppelt oder abgekoppelt werden. Damit wird es gerade für die gezeigte medizinische Anwendung möglich, die Beleuchtungsoptik 3 mitsamt der Abbildungsoptik 2 separat vom Rest des Systems autoklavieren und damit sterilisieren zu können.
Die 4 und 5 illustrieren, wie sich die Anpassung des Winkelspektrums 14 des Beleuchtungslichts 7, also insbesondere des maximalen Beleuchtungswinkel 13 zwischen den Werten α und β auf die (in den 4 und 5 ganz rechts illustrierte) Intensitätsverteilung 16 des Beleuchtungslichts 7 im Objektfeld 4, genauer innerhalb des ausgeleuchteten Beleuchtungsfelds 5, auswirkt. Wie zu sehen ist, ist das Beleuchtungsfeld 5 in beiden Situationen der 4 und 5 so gewählt, dass stets das gesamte mit der Abbildungsoptik 2 beobachtbare Sichtfeld 8 ausgeleuchtet wird. Das heißt, das Beleuchtungsfeld 5 ist stets größer gewählt als das Sichtfeld 8 innerhalb des Objektfelds 4, die hier als Objektebene illustriert ist (die Objektebene wird dabei scharf auf den Bildsensor des Visualisierungssystems 1 abgebildet).
Im Vergleich zu 4 hat der Benutzer in der 5 das Zoom-Level erhöht, wodurch sich die Größe des Sichtfelds 8 verringert hat. Ohne Anpassung des Beleuchtungsfelds 5, d.h. unter Beibehaltung der in 4 ganz rechts gezeigten Intensitätsverteilung 16, hätte dies zur Folge, dass nur noch ein kleiner Teil des von der Lichtquelle 6 bereitgestellten Beleuchtungslichts 7 auf das momentan beobachtete Sichtfeld 8 fällt. Wie jedoch die 5 zeigt, ist durch die Verringerung des Winkelspektrums 14, also insbesondere durch die Absenkung des maximalen Beleuchtungswinkel 13 auf den Wert β, auch die Größe des Beleuchtungsfelds 5 reduziert wurden, woraus sich die ganz rechts in 5 gezeigte angepasste Intensitätsverteilung 16 ergibt. Wie zu erkennen ist, wird dadurch mehr Beleuchtungslicht 7 in den Bereich des momentan beobachteten Sichtfelds 8 verlagert.
Da, wie zuvor erläutert wurde, dass Einstellmittel 9 der Lichtquelle 6 eine stufenlose Anpassung des Winkelspektrums 14 erlaubt, kann die Intensitätsverteilung 16 des Beleuchtungslichts 7 innerhalb des Objektfelds 4 stufenlos verändert werden, und zwar so, dass sich dabei die Intensitätsverteilung 16 qualitativ nicht verändert. Denn die Anpassung des maximalen Beleuchtungswinkels 13 ist gerade so erfolgt, dass sich der relative Randabfall der Intensität des Beleuchtungslichts 7 um weniger als 40% geändert hat. Um dies nachzuvollziehen kann ein Quotient gebildet werden aus der Intensität des Beleuchtungslichts 7 im Zentrum 28 des Sichtfelds 8 und der Intensität des Beleuchtungslichts 7 am äußersten Rand 29 des Sichtfelds 8 (vgl. 4). Dieser Quotient hat sich zwischen 5 und 4 um weniger als 40 % geändert.
Wird ausgehend von der Situation der 5 das Sichtfeld 8 erneut vergrößert, beispielsweise weil der Benutzer aus dem Operationsfeld herauszoomt (zoom-out), so erhöht der Controller 25 den maximalen Beleuchtungswinkel 13 erneut, wodurch sich auch die Größe des Beleuchtungsfelds 5 wieder vergrößert. Hierbei regelt der Controller 25 erst dann nach, wenn ein errechneter Quotient aus der Größe des Beleuchtungsfelds 5 und der Größe des Sichtfelds 8 sich um mehr als 5% geändert hat. Dadurch kann die Abweichung zwischen diesen beiden Größen in einem Bereich von +/-10 % konstant gehalten werden.
Mit anderen Worten verstellt hier also der Controller 25 das Einstellmittel 9 der Lichtquelle 6 jeweils stufenlos, um das Winkelspektrum 14 stufenlos an die momentanen Erfordernisse anzupassen. D.h. die Anpassung erfolgt in Abhängigkeit des momentanen Sichtfelds 8, welches mit der variablen Abbildungsoptik 2 beobachtbar ist.
Zusammenfassend wird zur Erzielung einer adaptiven Beleuchtung, die sich automatisch auf ein momentan gewähltes Zoom-Level eines Visualisierungssystems 1 einstellt, vorgeschlagen, ein Einstellelement 9 als Teil einer Lichtquelle 6 vorzusehen, welches die Anpassung eines Winkelspektrums 14 von Beleuchtungslicht 7 erlaubt, welches von der Lichtquelle 6 ausgeht und an eine Beleuchtungsoptik 3 des Visualisierungssystems 1 weitergeleitet wird, um ein momentanes Sichtfeld 8, welches mittels einer Abbildungsoptik 2 des Visualisierungssystems 1 beobachtbar ist, auszuleuchten. Hierbei kann das Visualisierungssystem 1 einen Controller 25 umfassen, der das Einstellmittel 9 in Abhängigkeit eines momentan mit der Abbildungsoptik 2 eingestellten Zoom-Levels verstellt, um so die Größe eines mit dem Beleuchtungslicht 7 ausgeleuchteten Beleuchtungsfelds 5 der Größe des momentanen Sichtfelds 8 nachzuführen.
Bezugszeichenliste

1: Bildgebendes Visualisierungssystem
2: Abbildungsoptik (von 1)
3: Beleuchtungsoptik (von 1)
4: Objektfeld
5: Beleuchtungsfeld (innerhalb von 4, ausgeleuchtet durch 3)
6: Lichtquelle
7: Beleuchtungslicht
8: Sichtfeld (momentan mit 2 beobachtbar innerhalb von 4)
9: Einstellmittel
10: Strahlformende Optik
11: Lichtleiter
12: Linse
13: Maximaler Beleuchtungswinkel (unter dem Licht 3 verlässt)
14: Winkelspektrum (von 7)
15: Abbildungsstrahlengang
16: Intensitätsverteilung (von 7 innerhalb von 4/5 und 8)
17: Robotiksystem
18: Roboterarm
19: Monitor
20: Kamerasteuerungseinheit (CCU)
21: Rollwagen
22: Patient
23: Videokamera
24: Optische Achse (von 3, und näherungsweise auch von 2)
25: Controller
26: Bidirektionale Schnittstelle
27: Weißlichtquelle
28: Zentrum (von 8)
29: Rand

Claims

Bildgebendes Visualisierungssystem (1), insbesondere ausgestaltet als ein Exoskop, Mikroskop, Makroskop oder Endoskop und/oder ausgestaltet zum stereoskopischen Abbilden von Objekten, umfassend, - eine Abbildungsoptik (2) mit variabler Brennweite, die eine Zoom-Funktionalität realisiert und - eine Beleuchtungsoptik (3) zum Ausleuchten eines Beleuchtungsfelds (5), - wobei das Beleuchtungsfeld (5) ein mit der Abbildungsoptik (2) beobachtbares Sichtfeld (8), vorzugsweise vollständig, abdeckt, dadurch gekennzeichnet, - dass das Visualisierungssystem (1) eine externe Lichtquelle (6) umfasst, die die Beleuchtungsoptik (3) mit Beleuchtungslicht (7) versorgt, - dass die Lichtquelle (6) ein Einstellmittel (9) zur Anpassung eines Winkelspektrums (14) des von der Beleuchtungsoptik (3) ausgehenden Beleuchtungslichts (7) aufweist und - dass das Einstellmittel (9), insbesondere eine strahlformende Optik (10), das Beleuchtungslicht (7) in einen Lichtleiter (11) einkoppelt, der das Beleuchtungslicht (7) von der externen Lichtquelle (6) zur Beleuchtungsoptik (3) transportiert.
Visualisierungssystem (1) nach Anspruch 1, - wobei mit dem Einstellmittel (9) eine Größe des Beleuchtungsfelds (5) an das mittels der Abbildungsoptik (2) gewählte Sichtfeld (8), vorzugsweise automatisch, anpassbar ist.
Visualisierungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei - in einer ersten, vorzugsweise statischen, Stellung des Einstellmittels (9) ein erstes Winkelspektrum (14a) von Beleuchtungslicht (7) und - in einer zweiten, vorzugsweise statischen, Stellung des Einstellmittels (9) ein zweites von dem ersten Winkelspektrum (14a) abweichendes Winkelspektrum (14b) von Beleuchtungslicht (7) von der Lichtquelle (6) zur Beleuchtungsoptik (3) gelangt, - insbesondere wobei das zweite Winkelspektrum (14b) innerhalb des ersten Winkelspektrums (14a) liegt und/oder kleiner als das erste Winkelspektrum (14a) ist, - vorzugsweise wobei das erste und das zweite Winkelspektrum (14a, 14b) jeweils symmetrisch um einen Zentrumspunkt verteilt sind.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch Verändern der Brennweite der Abbildungsoptik (2) eine Größe des momentan beobachtbaren Sichtfelds (8), vorzugsweise stufenlos, anpassbar ist und - wobei das Einstellmittel (9) eine korrespondierende, vorzugsweise stufenlose, Anpassung der Größe des Beleuchtungsfelds (5) erlaubt.
Visualisierungssystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei es das Einstellmittel (9) erlaubt, - eine Intensitätsverteilung (16) des Beleuchtungslichts (7) innerhalb eines mit der Abbildungsoptik (2) beobachtbaren Objektfelds (4), vorzugsweise stufenlos, zu skalieren, insbesondere ohne, dass dabei die Intensitätsverteilung (16) qualitativ verändert wird oder - eine Intensitätsverteilung (16) des Beleuchtungslichts (7) qualitativ zu verändern, insbesondere derart, dass ein relativer Randabfall der Intensitätsverteilung (16) einstellbar ist.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einstellmittel (9) als eine, vorzugsweise stufenlos, verstellbare strahlformende Optik (10) ausgebildet ist, - insbesondere wobei mit der strahlformenden Optik (10) ein maximaler Beleuchtungswinkel (13), vorzugsweise stufenlos, einstellbar ist, unter dem das Beleuchtungslicht (7) aus der Beleuchtungsoptik (3) austritt.
Visualisierungssystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die verstellbare strahlformende Optik (10) wenigstens eine axial verschiebliche Linse (12) aufweist, - bevorzugt wobei die strahlformende Optik (10) mittels mindestens zweier axial zueinander verschieblicher Linsen (12) ausgebildet ist, - insbesondere wobei durch Verschieben der wenigstens einen axial verschieblichen Linse (12) der maximale Beleuchtungswinkel (13) anpassbar ist.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle (6) und/oder die Beleuchtungsoptik (3) über eine Koppelmittel zum Ankoppeln des Lichtleiters (11) verfügt/verfügen, und/oder - wobei die Beleuchtungsoptik (3) vom Lichtleiter (11) abkoppelbar ist, insbesondere um separat autoklaviert werden zu können.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtleiter (11) ein Faserlichtleiter oder ein Flüssiglichtleiter ist, - besonders bevorzugt mit einem übertragbaren Winkelspektrum von wenigstens +/- 25°.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtleiter (11) so gewählt ist, dass in jeder möglichen Stellung des Einstellmittels (9) das von der Lichtquelle (6) gelieferte und mit dem Einstellmittel (9) festgelegte Winkelspektrum (14) vollständig an die Beleuchtungsoptik (3) übertragen wird.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abbildungsoptik (2) und die Beleuchtungsoptik (3) wenigstens ein gemeinsames optisches Element, beispielsweise eine Linse aufweisen, durch welches sowohl Beleuchtungslichtstrahlen als auch Abbildungslichtstrahlen verlaufen.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle (6) - inkohärentes Weißlicht und/oder - kohärentes Licht und/oder - ein Anregungslicht und/oder - nicht sichtbares Licht als Beleuchtungslicht (7) zur Verfügung stellt, - vorzugsweise wobei der Lichtleiter (11) zur Übermittlung eines von der Lichtquelle (6) gelieferten Spektrums eingerichtet ist.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einstellmittel (9) so auf den verwendeten Lichtleiter (11) abgestimmt ist, dass dann, wenn das Einstellmittel (9) ein minimales Beleuchtungswinkelspektrum (14) vorgibt, ein eintrittsseitiger Beleuchtungslichtkegel höchstens eine Endfläche des Lichtleiters (11) voll ausleuchtet.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle (6) über einen Aktor verfügt, der über ein Steuersignal steuerbar ist und der der Verstellung des Einstellmittels (9) dient.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Visualisierungssystem (1) einen Controller (25) umfasst, der dazu eingerichtet ist, das Einstellmittel (9) in Abhängigkeit einer momentan mit der Abbildungsoptik (2) eingestellten Brennweite, insbesondere in Abhängigkeit eines momentanen Zoomlevels der Abbildungsoptik (2), zu verstellen, vorzugsweise durch Ansteuern des Aktors der Lichtquelle (6).
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abbildungsoptik (2) die Beleuchtungsoptik (3) teilweise oder vollständig ausbildet.
Verfahren zum Betrieb einer externen Lichtquelle (6) eines Visualisierungssystems (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die Lichtquelle (6) ein Einstellelement (9) zur Anpassung eines Winkelspektrums (14) von Beleuchtungslicht (7), welches von der Lichtquelle (6) ausgeht, aufweist und - dass ein maximaler Beleuchtungswinkel (13), mit dem das Beleuchtungslicht (7) der Lichtquelle (6) in den Lichtleiter (11) eingekoppelt wird, um ein Beleuchtungsfeld (5) auszuleuchten, in Abhängigkeit eines momentanen Sichtfelds (8) einer variablen Abbildungsoptik (2) des Visualisierungssystems (1) mit dem Einstellelement (9) eingestellt wird, - wobei das Sichtfeld (8) mit Hilfe der variablen Abbildungsoptik (2) eingestellt wird.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Anpassung des Winkelspektrums (14) derart erfolgt, - dass bei Vergrößerung des Sichtfelds (8) der maximale Beleuchtungswinkel (13) erhöht wird und/oder - derart, dass ein Quotient aus einer Größe des Beleuchtungsfelds (5) und einer Größe des Sichtfelds (8) innerhalb einer Abweichung von +/- 20%, vorzugsweise von +/-10 %, konstant bleibt und/oder - dass eine Intensitätsverteilung (16) des Beleuchtungslichts (7) qualitativ verändert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, - wobei das Einstellmittel (9) zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung, vorzugsweise stufenlos, verstellt wird und die Anpassung des maximalen Beleuchtungswinkels (13) während dieser Verstellung derart geschieht, dass sich ein relativer Randabfall der Intensität des Beleuchtungslichts (7), - gemessen als Quotient einer Intensität des Beleuchtungslichts (7) im Zentrum (28) des Sichtfelds (8) und einer Intensität des Beleuchtungslichts (7) auf dem äußersten Rand (29) des Sichtfelds (8), um weniger als 40%, vorzugsweise um weniger als 20%, ändert.