DE102022129909A1

DE102022129909A1 - Beleuchtungsvorrichtung und Bildgebungsvorrichtung mit einer Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102022129909A1
Application number: DE102022129909.0A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Glöggler; Thomas Hinding; Uwe Martin
Original assignee: Karl Storz SE and Co KG
Current assignee: Karl Storz SE and Co KG
Priority date: 2022-11-11
Filing date: 2022-11-11
Publication date: 2024-05-16
Also published as: WO2024100117A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung (12), umfassend: eine optische Schnittstelle (16) zur optischen Anbindung eines Bildgebungsinstruments (14); und eine Beleuchtungseinheit (18), die dazu eingerichtet ist, Beleuchtungslicht an die optische Schnittstelle (16) zu liefern, mittels dessen bei einer Bildgebung ein abzubildendes Objekt (120) beleuchtbar ist, und die ferner dazu eingerichtet ist, Hintergrundlicht an die optische Schnittstelle (16) zu liefern, mittels dessen das abzubildende Objekt (120) zur Vorbereitung und/oder zur Beurteilung der Bildgebung beleuchtbar ist. Die Beleuchtungseinheit (18) umfasst zumindest ein Leuchtelement (20, 22, 24, 26, 28), das dazu eingerichtet ist, das Beleuchtungslicht zu erzeugen, und zumindest einen Flächenstrahler (200; 300; 400; 500; 600), der dazu eingerichtet ist, das Hintergrundlicht zu erzeugen und flächig abzustrahlen, wobei der Flächenstrahler (200; 300; 400; 500; 600) eine Lichtquelle (202; 302, 314; 402; 502; 602) und ein Lichtleiterelement (204; 304; 404; 504; 604) umfasst, wobei das Lichtleiterelement (204; 304; 404; 504; 604) eine Abstrahlrichtung (206; 306; 406; 506; 606) für das Hintergrundlicht definiert, und wobei von der Lichtquelle (202; 302; 402; 502; 602) erzeugtes Licht bezüglich der Abstrahlrichtung (206; 306; 406; 506; 606) seitlich in das Lichtleiterelement (204; 304; 404; 504; 604) einkoppelbar ist.Die Erfindung betrifft ferner eine Bildgebungsvorrichtung (10) mit einer Beleuchtungsvorrichtung (12) sowie ein zugehöriges Verfahren zur Bereitstellung von Beleuchtungslicht und ein Verfahren zum Betrieb einer Bildgebungsvorrichtung (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung und eine Bildgebungsvorrichtung mit einer Beleuchtungsvorrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind Bildgebungsvorrichtungen wie beispielsweise endoskopische oder exoskopische Vorrichtungen bekannt. Diese verfügen über Beleuchtungsvorrichtungen, mittels derer Beleuchtungslicht erzeugt werden kann, das bei einer Bildaufnahme ein abzubildendes Objekt beleuchtet. Derartige Beleuchtungsvorrichtungen sind häufig separat von einem Bildgebungsinstrument wie beispielsweise einem Endoskop ausgebildet und sind mittels geeigneter optischer Elemente angebunden. Beleuchtungslicht kann dann durch das Bildgebungsinstrument hindurch dem abzubildenden Objekt zugeführt werden.
Derartige Bildgebungsvorrichtungen können dazu eingerichtet sein, Fluoreszenzbilder aufzunehmen. Hierfür wird das abzubildende Objekt mit Licht einer ersten Wellenlänge bzw. in einem ersten Spektralbereich beleuchtet. Detektiert wird dann vom Objekt emittiertes Licht, häufig von gezielt eingebrachten Farbstoffen, die zur Fluoreszenz anregbar sind. Dieses emittierte Licht hat eine zweite Wellenlänge bzw. liegt in einem zweiten Spektralbereich, wobei das emittierte Licht relativ zum Beleuchtungslicht zu größeren Wellenlängen verschoben ist. Bei der Beobachtung des emittierten Lichts muss Sorge getragen werden, dass das zur Anregung verwendete Beleuchtungslicht nicht ebenfalls detektiert wird, da dieses eine höhere Intensität aufweist und Fluoreszenzlicht ansonsten schwer oder gar nicht beobachtbar ist. Um dies zu erreichen, werden Beobachtungsfilter eingesetzt, die eine Filterkante aufweisen, unterhalb derer sie undurchlässig sind. Das Anregungslicht kann hierdurch blockiert werden, wodurch lediglich das zu größeren Wellenlängen verschobene Fluoreszenzlicht beobachtbar wird.
In der Praxis werden derartige Beobachtungsfilter jedoch so gewählt, dass ein geringer Rest des Anregungslichts den Beobachtungsfilter passieren kann. Hierfür wird die Filterkante derart gewählt, dass diese in einem Bereich einer langwelligen abfallenden Kante eines Anregungsspektrums liegt und sich ein geringfügiger Überlapp ausbildet. Das Licht, das aus dem Bereich dieses Überlapps stammt, kann als Hintergrundlicht verwendet werden, das von dem abzubildenden Objekt remittiert wird. Das remittierte Hintergrundlicht kann dann alternativ oder parallel zum emittierten Fluoreszenzlicht beobachtbar sein. Das Hintergrundlicht dient beispielsweise dazu, das abzubildende Objekt beobachten zu können, auch wenn dieses Bereiche aufweist, die nicht fluoreszieren. Zum Beispiel kann es hierdurch einem Benutzer ermöglicht werden, sich zu orientieren, abzubildendes Gewebe zu identifizieren oder beispielsweise malignes Gewebe zu differenzieren.
Der Bereich dieses Überlapps liegt am blauen Ende des beobachteten Spektralbereichs und somit auch am blauen Ende des beobachteten Spektrums. Dies resultiert auch daraus, dass verwendete Fluoreszenzfarbstoffe regelmäßig eine erhebliche Rotverschiebung zeigen. Das Fluoreszenzlicht tritt somit bezogen auf den Bereich des Überlapps im Roten auf. Der geringe Anteil des Anregungslichts, der den Beobachtungsfilter passieren kann, wird häufig als „Blauzunge“ bezeichnet. Das Licht der Blauzunge liegt bei vielen verwendeten Farbstoffen im blauen Spektralbereich. Je nach verwendetem Farbstoff können jedoch sowohl die Absorptionsspektren als auch die Emissionsspektren variieren. Das Hintergrundlicht ist dann nicht notwendigerweise im blauen Spektralbereich verortet, sondern lediglich generell bei kürzeren Wellenlängen als das Fluoreszenzlicht. Der Begriff „Blauzunge“ bezieht sich somit lediglich exemplarisch auf den Fall, dass das Hintergrundlicht im blauen Spektralbereich liegt.
In jüngerer Zeit kommen in Beleuchtungsvorrichtungen vermehr LED-basierte Leuchtelemente zum Einsatz, insbesondere Weißlicht-LEDs. Je nach verwendetem Farbstoff kann ggf. auf einen Beobachtungsfilter verzichtet werden, weil das Spektrum der als Anregungsquelle verwendeten LED nicht bis in den Spektralbereich reicht, in dem Fluoreszenzlicht emittiert wird. Um Hintergrundlicht zu erzeugen, das bei der Fluoreszenzbildgebung zu den beschriebenen Zwecken verwendet werden kann, werden LEDs daher bisweilen mit Anregungsfiltern versehen. Eine Limitierung besteht hierbei darin, dass lichtstarke LEDs, die für die Bildgebung eingesetzt werden, oftmals selbst bei minimaler nominaler Energieversorgung noch sehr intensiv sind, wodurch das hierdurch erzeugte Hintergrundlicht dazu führt, dass das Fluoreszenzbild überstrahlt werden kann. Zusätzlich werden daher mechanisch vor die betreffende LED einbringbare Abschwächungsfilter verwendet, um Hintergrundlicht mit der gewünschten niedrigen Intensität zu erzeugen. Hierdurch ergeben sich Limitationen hinsichtlich der Geschwindigkeit bzw. Frequenz, mit der zwischen Betriebsmodi der Beleuchtungsvorrichtung umgeschaltet werden kann, weil die Bewegung des Abschwächungsfilters nicht instantan erfolgen kann und die Bewegung mechanischer Komponenten erfordert.
Neben Bildgebungsvorrichtungen die speziell zur Fluoreszenzbildgebung eingesetzt werden, gibt es multimodale Bildgebungsvorrichtung, die es gestatten, wahlweise Weißlichtbilder und/oder Multispektralbilder und/oder Fluoreszenzbilder und/oder Hyperspektralbilder aufzunehmen.
Multispektral- oder Hyperspektralbilder weisen neben zwei räumlichen Dimensionen, wie sie etwa ein herkömmliches Bild einer Kamera hat, eine spektrale Dimension auf. Die spektrale Dimension umfasst mehrere Spektralbänder (Wellenlängenbänder). Multispektrale und hyperspektrale Bilder unterscheiden sich im Wesentlichen in der Anzahl an und der Breite von ihren spektralen Bändern.
Es sind einige Bildgebungsvorrichtungen zur Erzeugung solcher Multispektral- oder Hyperspektralbilder, insbesondere im Kontext medizinischer Anwendungen, bekannt. In DE 20 2014 010 558 U1 ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Hyperspektralbilds eines Untersuchungsgebietes eines Körpers beschrieben. In der Vorrichtung sind ein Eingangsobjektiv zur Erzeugung eines Bilds in einer Bildebene sowie eine schlitzförmige Blende in der Bildebene zur Ausblendung eines schlitzförmigen Bereichs des Bilds angeordnet. Das durch die Blende hindurchtretende Licht wird mittels eines dispersiven Elements aufgefächert und mittels eines Kamerasensors aufgenommen. Dadurch kann von dem Kamerasensor eine Vielzahl von Spektren mit jeweils zugeordneter räumlicher Koordinate entlang der Längsrichtung der schlitzförmigen Blende aufgenommen werden. Die beschriebene Vorrichtung ist weiterhin dazu eingerichtet, in einer von der Längsrichtung der schlitzförmigen Blende verschiedenen Richtung weitere Spektren entlang der Längsrichtung der schlitzförmigen Blende aufzunehmen. Das dieser Offenbarung zugrunde liegende Verfahren zur Erzeugung von Multispektral- oder Hyperspektralbildern ist auch als sogenanntes Pushbroom-Verfahren bekannt.
Neben dem Pushbroom-Verfahren gibt es weitere Verfahren zur Erzeugung von Multispektral- oder Hyperspektralbildern. Beim sogenannten Whiskbroom-Verfahren wird das Untersuchungsgebiet oder auch Objekt punktweise abgefahren und für jeden Punkt ein Spektrum gewonnen. Im Gegensatz dazu, werden bei dem Staring-Verfahren mehrere Bilder mit denselben räumlichen Koordinaten aufgenommen. Dabei werden von Bild zu Bild verschiedene Spektralfilter und/oder Beleuchtungsquellen verwendet, um spektrale Information aufzulösen. Ferner gibt es Verfahren, gemäß denen durch geeignete optische Elemente wie optische Slicer, Linsen und Prismen ein zweidimensionales Mehrfarbenbild in mehrere spektrale Einzelbilder zerlegt wird, die gleichzeitig auf unterschiedlichen Detektoren oder Detektorbereichen erfasst werden. Dies wird bisweilen als Schnappschuss-Ansatz bezeichnet.
Wie in DE 10 2020 105 458 A1 beschrieben, eignen sich multispektrale und hyperspektrale Bildgebungsvorrichtungen insbesondere als endoskopische Bildgebungsvorrichtung. In dem Zusammenhang ist multispektrale und/oder hyperspektrale Bildgebung ein fundamentales Einsatzfeld beispielsweise zur Diagnostik sowie zur Beurteilung eines Erfolgs bzw. einer Qualität eines Eingriffs.
Daneben wird insbesondere im medizinischen Bildgebungsbereich Weißlichtbildgebung eingesetzt. Beobachtetes Gewebe wird mit Weißlicht beleuchtet, und mittels einer Kamera oder anderer Bilderfassungssensorik werden Bilder des Gewebes erzeugt, die dann einem Benutzer angezeigt werden können.
Beispiele für multimodale Bildgebungsvorrichtungen sind multimodale Endoskope und multimodale Exoskope. Zur Realisierung unterschiedlicher Modi können Lichtquellen erforderlich sein, die in unterschiedlichen Beleuchtungsmodi betreibbar sind, um bedarfsweise Beleuchtungslicht in unterschiedlichen Spektralbereichen zu erzeugen. Ferner können umschaltbare oder wechselbare optische Komponenten erforderlich sein, um die Bildgebungsvorrichtung an die unterschiedlichen Modi anzupassen. Soll zumindest ein Fluoreszenzmodus realisierbar sein, sollte, wie oben erläutert, eine Blauzunge vorhanden sein, um die Bildgebungsvorrichtung gut handhabbar und zielgerichtet einsetzbar zu machen.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsvorrichtung zuverlässigem Aufbau bereitzustellen, mittels derer eine kontrollierte Hintergrundbeleuchtung möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Beleuchtungsvorrichtung, eine Bildgebungsvorrichtung, ein Verfahren zur Erzeugung von Beleuchtungslicht und ein Verfahren zum Betrieb einer Bildgebungsvorrichtung, wie sie hierin beschrieben und in den Ansprüchen definiert sind.
Eine Beleuchtungsvorrichtung kann insbesondere zur Bereitstellung von Beleuchtungslicht für ein medizinisches Bildgebungsinstruments wie ein Endoskop, Exoskop und/oder Mikroskop vorgesehen sein. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine optische Schnittstelle zur optischen Anbindung eines Bildgebungsinstruments und eine Beleuchtungseinheit, die dazu eingerichtet ist, Beleuchtungslicht an die optische Schnittstelle zu liefern, mittels dessen bei einer Bildgebung ein abzubildendes Objekt beleuchtbar ist, und die ferner dazu eingerichtet ist, Hintergrundlicht an die optische Schnittstelle zu liefern, mittels dessen das abzubildende Objekt zur Vorbereitung und/oder zur Beurteilung der Bildgebung beleuchtbar ist. Die Beleuchtungseinheit umfasst zumindest ein Leuchtelement, das dazu eingerichtet ist, das Beleuchtungslicht zu erzeugen. Ferner umfasst die Beleuchtungseinheit zumindest einen Flächenstrahler, der dazu eingerichtet ist, das Hintergrundlicht zu erzeugen und flächig abzustrahlen, wobei der Flächenstrahler eine Lichtquelle und ein Lichtleiterelement umfasst, wobei das Lichtleiterelement eine Abstrahlrichtung für das Hintergrundlicht definiert, und wobei von der Lichtquelle erzeugtes Licht bezüglich der Abstrahlrichtung seitlich in das Lichtleiterelement einkoppelbar ist.
Ferner kann eine Bildgebungsvorrichtung vorgesehen sein, insbesondere eine medizinische Bildgebungsvorrichtung, die eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung und ein Bildgebungsinstrument, beispielsweise ein Endoskop und/oder Exoskop und/oder Mikroskop umfasst, das mit der optischen Schnittstelle der Beleuchtungsvorrichtung verbindbar ist.
Zudem kann ein Verfahren zur Erzeugung von Beleuchtungslicht für ein Bildgebungsinstrument vorgesehen sein, wobei das Beleuchtungslicht mittels einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung erzeugt wird.
Des Weiteren ist hierin ein Verfahren zum Betrieb einer Bildgebungsvorrichtung beschrieben, insbesondere einer erfindungsgemäßen Bildgebungsvorrichtung, die ein Bildgebungsinstrument umfasst. Dabei wird gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Beleuchtungslicht erzeugtes Beleuchtungslicht an das Bildgebungsinstrument geliefert wird.
Durch die erfindungsgemäßen Merkmale kann eine Beleuchtungsvorrichtung bereitgestellt werden, mittels derer in einfacher und kontrollierter Weise Hintergrundlicht erzeugt werden kann. Es kann ein hoher Grad an baulicher Kompaktheit und/oder Einfachheit erzielt werden. Insbesondere kann im Zusammenhang mit der Erzeugung von Hintergrundlicht auf bewegbare Komponenten verzichtet werden. Hierdurch kann ein Umschalten zwischen verschiedenen Modi wie beispielsweise ein An- und Ausschalten des Hintergrundlichts durch ein einfaches Schalten der Lichtquelle erfolgen, die dem Flächenstrahler zugeordnet ist. Dadurch sind sehr hohe Frequenzen möglich, und es kann beispielsweise eine Bildgebung durchgeführt werden, bei der abwechselnd oder in bestimmten Abständen Frames mit und ohne Hintergrundlicht aufgenommen werden. Ferner kann eine Intensität und/oder eine Wellenlänge des Lichts, das für die Hintergrundbeleuchtung verwendet wird, gezielt und unabhängig von dem Leuchtelement gewählt werden, welches das Beleuchtungslicht bereitstellt.
Die Bildgebungsvorrichtung kann eine mikroskopische, makroskopische und/oder exoskopische Bildgebungsvorrichtung sein. Das Bildgebungsinstrument kann als Mikroskop, Makroskop und/oder Exoskop ausgebildet sein und/oder ein solches umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Bildgebungsvorrichtung eine endoskopische Bildgebungsvorrichtung, insbesondere eine Endoskopvorrichtung sein. Das Bildgebungsinstrument kann ein Endoskop sein und/oder umfassen. Es versteht sich, dass das Bildgebungsinstrument über elektronische Komponenten verfügen aber auch rein mechanisch/optisch ausgebildet sein kann.
Die Bildgebungsvorrichtung und insbesondere das Bildgebungsinstrument ist in einigen Ausführungsformen dazu eingerichtet, zur Begutachtung und/oder Beobachtung in einen Hohlraum einführbar zu sein, beispielsweise in eine künstliche und/oder natürliche Kavität, etwa in ein Inneres eines Körpers, in ein Körperorgan, in Gewebe oder dergleichen. Die Bildgebungsvorrichtung und insbesondere das Bildgebungsinstrument kann auch dazu eingerichtet sein, zur Begutachtung und/der Beobachtung in ein Gehäuse, eine Verschalung, einen Schacht, ein Rohr oder eine andere, insbesondere künstliche, Struktur einführbar zu sein.
Die Bildgebungsvorrichtung und insbesondere das Bildgebungsinstrument kann dazu eingerichtet sein, Gewebeparameter, Bilder von Wunden, Bilder von Körperteilen etc. aufzunehmen. Beispielsweise kann die Bildgebungsvorrichtung dazu eingerichtet sein, ein Operationsfeld abzubilden.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Bildgebungsvorrichtung und/oder das Bildgebungsinstrument eine Bilderfassungseinheit. Die Bilderfassungseinheit kann zur Fluoreszenzbildgebung eingerichtet sein. Die Bilderfassungseinheit kann zumindest eine Optik und zumindest eine mit der Optik gekoppelte Bilderfassungssensorik umfassen. Ferner kann die Bilderfassungseinheit zumindest einen Anregungsfilter und/oder zumindest einen Beobachtungsfilter umfassen. Der Anregungsfilter kann vor dem Leuchtelement angeordnet sein und gemeinsam mit einem Spektrum des Leuchtelements ein Spektrum des Beleuchtungslichts definieren. Der Beobachtungsfilter kann dazu eingerichtet sein, Licht unterhalb einer Grenzwellenlänge abzuschwächen und/oder zu blockieren und Licht oberhalb der Grenzwellenlänge weniger stark abzuschwächen und/oder zu transmittieren. Die Grenzwellenlänge ist dabei bevorzugt derart gewählt, dass sie höchstens 50 nm kürzer ist als eine größte Wellenlänge des Spektrums des Beleuchtungslichts. In einigen Ausführungsformen können das Spektrum des Beleuchtungslichts und ein Durchlassbereich des Beobachtungsfilters disjunkt voneinander sein, wobei insbesondere der Durchlassbereich bezüglich des Spektrums des Beleuchtungslichts bei größeren Wellenlängen liegt. Es können mehrere Beobachtungsfilter und/oder Anregungsfilter und/oder Leuchtelemente mit unterschiedlichen Spektren verwendet werden. Hierdurch können ein Anregungsspektrum und/oder ein beobachtbares Spektrum an ein Absorptionsspektrum und/oder ein Emissionsspektrum eines verwendeten Fluoreszenzfarbstoffs angepasst werden.
Die Bildgebungsvorrichtung und/oder die Bilderfassungseinheit kann zusätzlich oder alternativ zur Fluoreszenzbildgebung zur spektral aufgelösten Bildgebung und/oder zur Weißlichtbildgebung eingerichtet sein. Die Fluoreszenzbildgebung, die Weißlichtbildgebung und/oder die spektral aufgelöste Bildgebung können gleichzeitig oder abwechselnd oder zeitweise gleichzeitig und zeitweise nacheinander durchgeführt werden. Hierfür kann eine separate Optik und/oder eine gemeinsame Optik verwendet werden.
Die Bilderfassungseinheit kann räumlich und spektral auflösend sein. Hierunter soll insbesondere zu verstehen sein, dass die Bilderfassungseinheit dazu eingerichtet ist, eine Bilderfassung des abzubildenden Objekts durchzuführen, bei der räumlich und spektral aufgelöste Bilddaten erzeugt werden, die sowohl räumliche als auch spektrale Information umfassen.
Die Bilderfassungseinheit und insbesondere die Optik und/oder die Bilderfassungssensorik kann/können zur multispektralen und/oder hyperspektralen Bildgebung eingerichtet sein, im Speziellen dazu, multispektrale und/oder hyperspektrale Bilddaten zu erfassen und/oder zu erzeugen. Multispektrale Bildgebung bzw. multispektrale Bilddaten kann sich dabei insbesondere auf solche Bildgebung beziehen, bei der wenigstens zwei, insbesondere wenigstens drei, und in einigen Fällen wenigstens fünf Spektralbänder voneinander unabhängig erfassbar sind und/oder erfasst werden. Hyperspektrale Bildgebung bzw. hyperspektrale Bilddaten kann sich dabei insbesondere auf solche Bildgebung beziehen, bei der wenigstens 20, wenigstens 50 oder sogar wenigstens 100 Spektralbänder voneinander unabhängig erfassbar sind und/oder erfasst werden.
Die Bildgebungsvorrichtung kann nach dem Pushbroom-Verfahren und/oder nach dem Whiskbroom- Verfahren und/oder nach dem Staring- Verfahren und/oder nach einem Schnappschussprinzip arbeiten.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Bildgebungsvorrichtung und/oder die Bilderfassungseinheit eine Weißlichtkamera und/oder Sensorik zur Weißlichtbilderfassung. Zur Weißlichtbildgebung kann eine separate Optik und/oder eine gemeinsame Optik verwendet werden.
Für einige Anwendungen kann es vorteilhaft sein, eine große spektrale Auflösung verwenden zu können. Es bietet sich dann eine hyperspektrale Bildgebung an. Diese kann mit einer Weißlichtbildgebung und/oder einer Fluoreszenzbildgebung kombiniert sein. Hierdurch ist eine Beobachtung in Echtzeit über ein Weißlichtbild und/oder ein Fluoreszenzbild möglich, auch wenn die Erfassung spektral aufgelöster Bilddaten nur im Wesentlichen in Echtzeit erfolgt, also beispielsweise mehrere Sekunden zur Erstellung eines spektral aufgelösten Bildes benötigt werden.
Für einige Anwendungen kann es vorteilhaft sein, spektrale Bilddaten in Echtzeit zu erzeugen. Dies beinhaltet beispielsweise die Erzeugung eines spektral aufgelösten Bildes in weniger als einer Sekunde oder sogar mehrmals pro Sekunde. Hierbei kann es zweckmäßig sein, auf multispektrale Bildgebung zurückzugreifen. Einer ggf. geringeren spektralen Auflösung steht dann eine höhere Bildwiederholrate gegenüber. Je nach Anwendung kann es hinreichend sein, nur wenige verschiedene Spektralbereiche und/oder Wellenlängen zu berücksichtigen, beispielsweise zwei oder drei oder vier oder generell weniger als zehn. Hierbei kann wahlweise auf eine zusätzliche Weißlichtbildgebung verzichtet werden. Spektral aufgelöste Bilddaten, die in Echtzeit gewonnen werden bzw. mehrere Bilder pro Sekunde liefern, können auch zu Überwachungszwecken eingesetzt werden, wobei nicht zwingend ein wiederzugebendes Bild für einen Benutzer erstellt werden muss, sondern die Bilddaten auch im Hintergrund verarbeitet werden können.
Die optische Schnittstelle kann wahlweise lösbar und verbindbar sein. Zudem kann die optische Schnittstelle mit einer mechanischen Schnittstelle kombiniert sein, sodass eine optische Verbindung beispielsweise automatisch dann hergestellt wird, wenn das Bildgebungsinstrument mechanisch angekoppelt wird.
Das zumindest eine Leuchtelement kann eine LED umfassen und/oder als eine solche ausgebildet sein. Das Leuchtelement kann Teil einer Leuchteinheit sein, die mehrere Leuchtelemente umfasst. In diesem Fall können unterschiedliche Leuchtelemente vorgesehen sein, die in unterschiedlichen Spektralbereichen emittieren. Die Leuchteinheit kann ein oder mehrere schmalbandig emittierende und/oder einfarbige Leuchtelemente umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Leuchteinheit zusätzlich zumindest ein Weißlichtleuchtelement umfassen, das breitbandig emittiert. Insbesondere kann das Weißlichtleuchtelement einen sichtbaren Spektralbereich weitgehend oder vollständig abdecken. Beispielsweise kann das Weißlichtleuchtelement dazu eingerichtet sein, zumindest in einem Bereich zwischen 480 nm und 650 nm, vorzugsweise zumindest in einem Bereich zwischen 450 nm und 680 nm und besonders bevorzugt zumindest in einem Bereich zwischen 430 nm und 700 nm zu emittieren.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann eine Steuerung umfassen, die dazu eingerichtet ist, das zumindest eine Leuchtelement und die Lichtquelle für den Flächenstrahler anzusteuern. Die Steuerung kann dazu eingerichtet sein, die Leuchteinheit anzusteuern und wahlweise eines oder mehrere der vorhandenen Leuchtelemente zu aktivieren, zu deaktivieren und/oder eine Intensität derselben einzustellen.
In einigen Ausführungsformen dient das Beleuchtungslicht der Aufnahme von Fluoreszenzbildern. Das Hintergrundlicht kann ferner vor, während und/oder nach der Aufnahme von Fluoreszenzbildern zur Verfügung stehen, um das abzubildende Objekt durch Remission des Hintergrundlichts an dem abzubildenden Objekt zu beobachten. Ein Benutzer kann somit durch das Hintergrundlicht das abzubildende Objekt beurteilen und auch Bereiche desselben begutachten, die keinen fluoreszierenden Farbstoff enthalten.
Licht der Lichtquelle, das in das Lichtleiterelement seitlich eingekoppelt wird, kann in eine Richtung auf das Lichtleiterelement eingestrahlt werden, die mit der Abstrahlrichtung einen Winkel einschließt, der wenigstens 45 Grad, vorzugsweise wenigstens 60 Grad, bevorzugt wenigstens 75 Grad und besonders bevorzugt wenigstens 85 Grad und/oder höchstens 135 Grad, vorzugsweise höchstens 120 Grad, bevorzugt höchstens 105 Grad und besonders bevorzugt höchstens 95 Grad beträgt. In einigen Ausführungsformen kann die Richtung, in der das Licht der Lichtquelle auf das Lichtleiterelement eingestrahlt wird, senkrecht zu der Abstrahlrichtung stehen. Licht kann von mehreren Seiten und/oder aus mehreren Richtungen in das Lichtleiterelement eingekoppelt werden. Die genannten Winkelbeziehungen können dennoch gelten. Werden unterschiedliche Einstrahlrichtungen verwendet, sind diese bevorzugt jeweils auf eine Mitte des Lichtleiterelements gerichtet.
Das Lichtleiterelement umfasst insbesondere zumindest eine Einkoppelkante, in die das Licht der Lichtquelle einkoppelbar ist. Das Lichtleiterelement kann eine der Einkoppelkante gegenüberliegende Kante aufweisen, an welcher das Lichtleiterelement abgeschrägt ist. Diese Abschrägung kann eine gerichtete Auskopplung des eingestrahlten Lichts der Lichtquelle bewirken. Ferner kann das Lichtleiterelement zumindest eine Abstrahlfläche umfassen, aus der das Hintergrundlicht ausgekoppelt wird. Das Lichtleiterelement kann einen Grundkörper umfassen, der die Einkoppelkante und/oder die Abstrahlfläche definiert. Das Lichtleiterelement kann Auskoppelstrukturen und/oder Streuzentren umfassen, die dazu eingerichtet sind, in das Lichtleiterelement eingekoppeltes Licht der Lichtquelle aus der Abstrahlfläche auszukoppeln. Der Grundkörper des Lichtleiterelements kann eine Lichtleiterplatte und/oder eine Lichtleiterfolie sein. Der Flächenstrahler und/oder das Lichtleiterelement kann beispielsweise ausgebildet sein, wie dies in DE 10 2010 019 051 A1 und/oder WO 2011/131429 A1 beschrieben ist.
In einigen Ausführungsformen kann das Lichtleiterelement dazu eingerichtet sein, das Hintergrundlicht gerichtet abzustrahlen. Dies kann die vorrangige oder zumindest im Wesentlichen ausschließliche Auskopplung von Licht aus einer einzelnen Abstrahlfläche umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann dies umfassen, dass das Lichtleiterelement dazu eingerichtet ist, das Hintergrundlicht zumindest teilweise fokussiert und/oder nichtparallel auszukoppeln. Hierfür kann vorgesehen sein, dass Streuzentren und/oder Auskoppelstrukturen des Lichtleiterelements anisotrop und/oder unterschiedlich orientiert verteilt sind. Hintergrundlicht, das aus einer Mitte des Lichtleiterelements abgestrahlt wird, wird dann beispielsweise senkrecht abgestrahlt, wohingegen Licht, das vom Rand des Lichtleiterelements abgestrahlt wird, zur Mitte hin geneigt abgestrahlt wird. Dies kann jeweils für eine mittlere Abstrahlrichtung an der genannten Position des Lichtleiterelements dienen. In anderen Worten kann das Lichtleiterelement teilweise diffus und teilweise gerichtet abstrahlen, wobei die teilweise gerichtete Abstrahlung auf einen Fokuspunkt und/oder einen Fokusbereich und/oder eine Fokuslinie gerichtet sein kann.
Ferner können Streuzentren und/oder Auskoppelstrukturen des Lichtleiterelements anisotrop verteilt sein. Insbesondere kann zum Rand des Lichtleiterelements hin eine zunehmende Dichte von Streuzentren und/oder Auskoppelstrukturen vorgesehen sein. Da Lichtleiterelemente regelmäßig ein Abstrahlprofil zeigen, das in einer Mitte des Lichtleiterelements die höchste Intensität aufweist, kann hierdurch ein homogeneres Abstrahlprofil erzielt werden.
Die Lichtquelle kann zumindest eine LED und/oder eine Lichtleiste und/oder eine LED-Leiste und/oder ein LED-Array umfassen. Die Lichtquelle kann sich entlang der Einkoppelkante des Lichtleiterelements erstrecken. Vorzugsweise sind die Lichtquelle und das Lichtleiterelement zueinander unbeweglich und/oder ortsfest.
Ein hoher Grad an Vielseitigkeit hinsichtlich möglicher Anordnungen optischer Komponenten kann insbesondere dann erzielt werden, wenn das Lichtleiterelement lichtdurchlässig ausgebildet ist, wobei das Leuchtelement derart angeordnet ist, dass das Beleuchtungslicht durch das Lichtleiterelement hindurchtritt. Das Beleuchtungslicht und das Hintergrundlicht können somit in einer Weise abgestrahlt werden, als kämen sie im Wesentlichen von derselben Lichtquelle. Der Flächenstrahler kann insbesondere vor dem Leuchtelement angeordnet sein. Das Beleuchtungslicht und das Hintergrundlicht können in denselben optischen Pfad einkoppelbar sein, der zur optischen Schnittstelle führt.
Es kann vorgesehen sein, dass das Leuchtelement eine Abstrahlrichtung für das Beleuchtungslicht definiert, wobei die Abstrahlrichtung für das Beleuchtungslicht und die Abstrahlrichtung für das Hintergrundlicht im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind. Hierdurch kann das Verhalten einer konventionellen Lichtquelle nachgebildet werden, bei der beispielsweise eine Blauzunge mittels geeigneter Filter erzeugbar ist. Dies kann Anordnungen umfassen, bei denen das Beleuchtungslicht durch das Lichtleiterelement hindurchtritt. Ferner kann dies Anordnungen umfassen, bei denen der Flächenstrahler neben dem Leuchtelement und/oder bezüglich des Leuchtelements seitlich versetzt angeordnet ist.
Ein hoher Grad an Kompaktheit durch die synergistische Ausnutzung von Bauraum kann insbesondere dann erzielt werden, wenn die Beleuchtungseinheit ein optisches Element umfasst, das der Fokussierung und/oder Brechung und/oder Kollimation und/oder Umlenkung des Beleuchtungslichts dient, wobei das Lichtleiterelement mit dem optischen Element integral ausgebildet ist. Das optische Element kann ein Spiegel, ein Strahlteiler, ein Strahlkombinierer und/oder eine Linse sein. Das Lichtleiterelement kann das optische Element ausbilden. In anderen Worten kann das optische Element das Lichtleiterelement sein. Beispielsweise kann das optische Element mit Streuzentren und/oder Auskoppelstrukturen versehen sein und eine Einkoppelkante aufweisen, in die das Licht der Lichtquelle seitlich einkoppelbar ist, während das optische Element zugleich seine Funktion einer Fokussierung und/oder Umlenkung des Beleuchtungslichts erfüllt.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Beleuchtungseinheit eine Halterung für das optische Element, wobei die Lichtquelle in die Halterung integriert ist. Hierdurch kann Bauraum besonders effizient ausgenutzt werden. Beispielsweise kann die Halterung dazu dienen, einen Strahlkombinierer und/oder eine Linse vor dem Leuchtelement anzuordnen und/oder zu halten. Besonders zweckmäßig ist es in diesem Zusammenhang, wenn des Lichtleitelement mit dem optischen Element integral ausgebildet ist. Das Licht der Lichtquelle, die in die Halterung integriert ist, kann dann direkt und effizient in das Lichtleiterelement eingekoppelt werden.
Eine hohe Frequenz für die Umschaltung zwischen Betriebsmodi kann insbesondere dann realisiert werden, wenn die Beleuchtungseinheit dazu eingerichtet ist, durch wahlweises An- und Abschalten der Lichtquelle das Hintergrundlicht unabhängig vom Beleuchtungslicht wahlweise an- und abzuschalten. Insbesondere kann der Flächenstrahler ohne mechanisch bewegbare Komponenten ausgebildet sein. Das An- und Abschalten des Hintergrundlichts kann dann unmittelbar durch das An- und Abschalten der Lichtquelle erfolgen. Durch geeignete Wahl der Lichtquelle und des Lichtleiterelements kann hierdurch zudem bewerkstelligt werden, dass das Hintergrundlicht ohne die Verwendung eines Abschwächungsfilters bereitstellbar ist, insbesondere ohne die Verwendung eines beweglichen Abschwächungsfilters. In einigen Ausführungsformen kann die Beleuchtungsvorrichtung dazu eingerichtet sein, das Hintergrundlicht frameweise zu- und abzuschalten. „Frameweise“ kann dabei bedeuten, dass eine bestimmte erste Anzahl von Bildern mit Hintergrundbeleuchtung und eine bestimmte zweite Anzahl von Bildern ohne Hintergrundbeleuchtung im Wechsel aufnehmbar sind, wobei die erste Anzahl und/oder die zweite Anzahl 1 sein kann oder größer als 1, und wobei die erste Anzahl und die zweite Anzahl gleich oder verschieden sein können.
Eine Lichtintensität des Beleuchtungslichts kann größer sein als eine Lichtintensität des Hintergrundlichts, insbesondere wenigstens 2-mal, wenigstens 5-mal, wenigstens 10-mal, wenigsten 50-mal oder wenigstens 100-mal größer. Hierdurch kann Hintergrundlicht mit geeigneter Intensität bereitgestellt werden, das es gestattet, Fluoreszenzbildgebung durchzuführen, ohne dass ein Fluoreszenzbild vom Hintergrundlicht überstrahlt wird.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sowie die erfindungsgemäßen Verfahren sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können diese zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Es wird insbesondere darauf hingewiesen, dass alle in Bezug auf eine Vorrichtung beschriebenen Merkmale und Eigenschaften, aber auch Verfahrensweisen, sinngemäß auf Verfahren übertragbar und im Sinne der Erfindung einsetzbar und als mitoffenbart gelten. Gleiches gilt auch in umgekehrter Richtung. Das bedeutet, dass auch in Bezug auf Verfahren genannte, bauliche also vorrichtungsgemäße Merkmale im Rahmen der Vorrichtungsansprüche berücksichtigt, beansprucht und ebenfalls zur Offenbarung gezählt werden können.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Figuren beispielhaft beschrieben. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und im Rahmen der Ansprüche sinnvoll in Kombination verwenden.
Falls von einem bestimmten Objekt mehr als ein Exemplar vorhanden ist, ist ggf. nur eines davon in den Figuren und in der Beschreibung mit einem Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung dieses Exemplars kann entsprechend auf die anderen Exemplare von dem Objekt übertragen werden. Sind Objekte insbesondere mittels Zahlenwörtern, wie beispielsweise erstes, zweites, drittes Objekt etc. benannt, dienen diese der Benennung und/oder Zuordnung von Objekten. Demnach können beispielsweise ein erstes Objekt und ein drittes Objekt, jedoch kein zweites Objekt umfasst sein. Allerdings könnten anhand von Zahlenwörtern zusätzlich auch eine Anzahl und/oder eine Reihenfolge von Objekten ableitbar sein.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Bildgebungsvorrichtung mit einer Beleuchtungsvorrichtung;
2 eine schematische Darstellung der Beleuchtungsvorrichtung;
3 schematische Transmissionskurven von Strahlteilerelementen der Beleuchtungsvorrichtung;
4 eine schematische Darstellung eines ersten Flächenstrahlers, der in der Beleuchtungsvorrichtung verwendbar ist;
5 eine schematische perspektivische Darstellung eines zweiten Flächenstrahlers, der in der Beleuchtungsvorrichtung verwendbar ist;
6 eine schematische perspektivische Darstellung eines dritten Flächenstrahlers, der in der Beleuchtungsvorrichtung verwendbar ist;
7 eine schematische Darstellung eines vierten Flächenstrahlers, der in der Beleuchtungsvorrichtung verwendbar ist; und
8 eine schematische perspektivische Darstellung eines fünften Flächenstrahlers.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Bildgebungsvorrichtung 10. Im exemplarisch dargestellten Fall ist die Bildgebungsvorrichtung 10 eine endoskopische Bildgebungsvorrichtung, konkret eine Endoskopvorrichtung. Alternativ könnte es sich bei der Bildgebungsvorrichtung 10 um eine exoskopische, eine mikroskopische oder eine makroskopische Bildgebungsvorrichtung handeln. Die Bildgebungsvorrichtung 10 ist beispielhaft als medizinische Bildgebungsvorrichtung gezeigt. Die Bildgebungsvorrichtung 10 ist beispielsweise zu einer Untersuchung einer Kavität vorgesehen.
Die Bildgebungsvorrichtung 10 weist ein medizinisches Bildgebungsinstrument 14 auf. Im dargestellten Fall handelt es sich hierbei um ein Endoskop.
Ferner umfasst die Bildgebungsvorrichtung 10 eine Beleuchtungsvorrichtung 12 mit einer optischen Schnittstelle 16 und eine Beleuchtungseinheit 18. Das Bildgebungsinstrument 14 ist optisch an die optische Schnittstelle 16 anbindbar. Die optische Schnittstelle 16 kann Teil einer optisch-mechanischen Schnittstelle sein, die wahlweise lösbar und verbindbar ist. Das Beleuchtungsgerät 14 kann wahlweise von der Beleuchtungsvorrichtung 12 abkoppelbar sein. Die Beleuchtungseinheit 18 ist dazu eingerichtet, Beleuchtungslicht an die optische Schnittstelle 16 zu liefern. Bei einer Bildgebung mittels des Bildgebungsinstruments 14 kann entsprechend die Beleuchtungseinheit 18 das erforderliche Beleuchtungslicht bereitstellen, das zum Beleuchtungsgerät 14 geführt und von dort auf ein abzubildendes Objekt wie beispielsweise einen Situs ausgekoppelt wird.
Wie in 1 ferner zu erkennen ist, ist im vorliegenden Fall das Bildgebungsinstrument 14 zudem über eine nicht mit einem Bezugszeichen versehene Leitung angebunden, über die beispielsweise Daten von einer Kamera des Bildgebungsinstruments 14 übertragbar sind.
Die Bildgebungsvorrichtung 10 umfasst im dargestellten Fall ferner eine Anzeigeeinheit, auf der Bilder angezeigt werden können, die auf Bilddaten beruhen, die mittels des Bildgebungsinstruments 14 erfasst wurden und die ein abzubildendes Objekt 120 betreffen. Hierbei kann es sich um Videobilder, Standbilder, Überlagerungen unterschiedlicher Bilder, Teilbilder, Bildsequenzen etc. handeln.
Die Bildgebungsvorrichtung 10 ist multimodal. Exemplarisch ist die Bildgebungsvorrichtung in drei grundlegenden Modi betreibbar, einem Fluoreszenzmodus, einem Multispektralmodus, und einem Weißlichtmodus. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Bildgebungsvorrichtung 10 zusätzlich oder alternativ zum Multispektralmodus in einem Hyperspektralmodus betreibbar ist.
Die Beleuchtungsvorrichtung 12 ist im beispielhaft dargestellten Fall ebenfalls multimodal. Die Beleuchtungsvorrichtung 12 ist in unterschiedlichen Beleuchtungsmodi betreibbar, in denen sie Licht für unterschiedliche Bildgebungsmodi liefert. Vorliegend ist die Beleuchtungsvorrichtung 12 in drei grundlegenden Modi betreibbar, einem Multispektralmodus, einem Fluoreszenzmodus und einem Weißlichtmodus. Ebenso ist das Bildgebungsinstrument 14 in unterschiedlichen Betriebsmodi betreibbar, konkret ebenfalls zumindest in einem Multispektralmodus, einem Fluoreszenzmodus und einem Weißlichtmodus. Im entsprechenden Betriebsmodus der Bildgebungsvorrichtung 10 werden die Modi der Beleuchtungsvorrichtung 12 aufeinander abgestimmt.
In anderen Ausführungsformen können die Bildgebungsvorrichtung 10 und die Beleuchtungsvorrichtung in zwei grundlegenden Modi betreibbar sein, in einem Weißlichtmodus und in einem Fluoreszenzmodus. Ferner kann die im Folgenden Beschriebene Hintergrundbeleuchtung auch bei anderen Aufnahmemodi als bei einer Fluoreszenzbildgebung Anwendung finden.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Beleuchtungsvorrichtung 12. Die Beleuchtungseinheit 18 umfasst beispielhaft mehrere unabhängig voneinander aktivierbare Leuchtelemente 20, 22, 24, 26, 28, wobei allgemein ausgedrückt zumindest ein Leuchtelement vorgesehen ist und die dargestellt Anzahl der Veranschaulichung dient. Die Leuchtelemente 20, 22, 24, 26, 28 sind dazu eingerichtet, Licht gemäß unterschiedlichen Emissionsspektren zu emittieren, um Beleuchtungslicht zu liefern, d. h. das jeweilige Emissionsspektrum unterscheidet sich von Leuchtelement zu Leuchtelement.
Beispielhaft sind die Leuchtelemente 20, 22, 24, 26, 28 als LEDs ausgebildet. Konkret ist ein erstes Leuchtelement 20 als rote LED, ein zweites Leuchtelement 22 als dunkelrote LED, ein drittes Leuchtelement 24 als blaue LED und ein viertes Leuchtelement 26 als Nah-IR-LED ausgebildet. Die farbigen Leuchtelemente 20, 22, 24, 26 emittieren jeweils schmalbandig, beispielsweise mit Emissionspeak etwa bei den Wellenlängen 660 nm (erstes Leuchtelement 20), 770 nm (zweites Leuchtelement 22), 460 nm (drittes Leuchtelement 24) und 940 nm (viertes Leuchtelement 26).
Ferner ist ein fünftes Leuchtelement 28 vorgesehen, das vorliegend ein Weißlichtleuchtelement ist, etwa eine Weißlicht-LED. Das fünfte Leuchtelement 28 emittiert beispielsweise in einem Spektralbereich von etwa 400 bis 700 nm. In anderen Ausführungsformen können auch Laserdioden verwendet werden, insbesondere farbige Leuchtelemente.
Je nach Beleuchtungsmodus werden einige der Leuchtelemente 20, 22, 24, 26, 28 zumindest zeitweise aktiviert, wohingegen ggf. andere Leuchtelemente 20, 22, 24, 26, 28 in dem betreffenden Beleuchtungsmodus nicht verwendet werden.
Vorliegend umfasst eine erste Gruppe erste Leuchtelement 20 und das vierte Leuchtelement 26. Die erste Gruppe kann zusätzlich das Leuchtelement 22 und/oder das Leuchtelement 24 umfassen. Die erste Gruppe wird zur Multispektralbildgebung verwendet, wobei die enthaltenen Leuchtelemente 20, 26 sowie ggf. 22 und 24 jeweils als Stützstelle dienen. Im Multispektralmodus wird beispielsweise zunächst mit dem ersten Leuchtelement 20 beleuchtet und ein Bild aufgenommen. Anschließend wird mit dem vierten Leuchtelement 26 beleuchtet und ein Bild aufgenommen. Die Bilder beruhen jeweils auf Remission, d. h. es wird das vom abzubildenden Objekt zurückgestreute Licht betrachtet. Durch die beiden unterschiedlichen Stützstellen kann spektrale Information über das abzubildende Objekt gewonnen werden. Beispielsweise können hierdurch bestimmte Gewebearten, ein Perfusionszustand, eine Gewebebeschaffenheit oder dergleichen beurteilt werden.
Ferner umfasst eine zweite Gruppe das erste Leuchtelement 20, das zweite Leuchtelement 22 und das dritte Leuchtelement 24. Die zweite Gruppe wird zur Beleuchtung bei Fluoreszenzbildgebung verwendet. Hierbei können zum Beispiel gezielt mit geeignet gewählten Farbstoffen eingefärbte Objekte betrachtet werden. Auch können unterschiedliche Farbstoffe in unterschiedliche Gewebearten oder dergleichen eingebracht werden, die gleichzeitig betrachtet werden. Durch gezielte Anregung eines bestimmten Farbstoffs wird dieser zur Fluoreszenz angeregt. Abgebildet wird dann das Fluoreszenzlicht. Das erste Leuchtelement 20 ist beispielsweise dazu geeignet, den Farbstoff Cyanin 5.5 (Cy 5.5) anzuregen. Das zweite Leuchtelement 22 ist dazu geeignet, den Farbstoff Indocyaningrün (ICG) anzuregen. Das dritte Leuchtelement 24 ist dazu geeignet, den Farbstoff Fluoreszin anzuregen.
Des Weiteren umfasst eine dritte Gruppe das fünfte Leuchtelement 28. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die dritte Gruppe zudem das erste Leuchtelement 20 und das dritte Leuchtelement 24. Die dritte Gruppe dient dazu, Beleuchtungslicht für Weißlichtbildgebung bereitzustellen. Hierfür kann Weißlicht des fünften Leuchtelements 28 mit Licht bestimmter farbiger Leuchtelemente gemischt werden, wodurch spektrale Verluste ausgeglichen und/oder eine Farbtemperatur gezielt eingestellt werden kann.
Erkennbar sind einige der Leuchtelemente 20, 22, 24, 26, 28 mehreren Gruppen zugeordnet, beispielhaft das erste Leuchtelement 20 allen drei Gruppen sowie das dritte Leuchtelement 24 und ggf. auch das zweite Leuchtelement 22 der zweiten und der dritten Gruppe.
Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass einige oder sämtliche der Leuchtelement 20, 22, 24, 26, 28 in einem Hyperspektralmodus eingesetzt werden. Es wird dann ein breites Anregungsspektrum erzeugt. In Kombination mit einem geeigneten Hyperspektraldetektor kann dann über das gesamte sichtbare und Nah-IR-Spektrum spektrale Information bzgl. des abzubildenden Objekt erfasst werden.
Das Bildgebungsinstruments 14 kann zu diesem Zweck eine Pushbroom-Anordnung als Hyperspektraldetektor umfassen. In anderen Ausführungsformen wird eine Whiskbroom-Anordnung, eine Staring-Anordnung und/oder eine Schnappschuss-Anordnung verwendet. Das Bildgebungsinstrument 14 kann ein hyperspektrales Bildgebungsinstrument sein. Bezüglich unterschiedlicher Methoden einer hyperspektralen Bildgebung sowie hierfür erforderlicher Komponenten wird auf den Fachartikel „Review of spectral imaging technology in biomedical engineering: achievements and challenges" von Quingli Li et al. Erschienen in Journal of Biomedical Optics 18(10), 100901, Oktober 2013, sowie auf den Fachartikel „Medical hyperspectral imaging: a review" von Guolan Lu und Baowei Fei, erschienen in Journal of Biomedical Optics 19(1), 010901, Januar 2014, verwiesen.
Die Beleuchtungseinheit 18 umfasst zwei gekreuzte Strahlteiler 30, 32, die auch als Strahlkombinierer bezeichnet werden können. Diese umfassen jeweils eine Ausgangsseite 42, 44, jeweils eine der Ausgangsseite 42, 44 gegenüberliegende Eingangsseite 37, 41 und jeweils zwei einander gegenüberliegende Eingangsseiten 34, 36, 38, 40. Sämtliche Eingangsseiten 34, 36, 37, 38, 40, 41 führen einfallendes Licht zur entsprechenden Ausgangsseite 42, 44. Die Ausgangsseite 42 eines ersten gekreuzten Strahlteilers 30 ist eine Eingangsseite 41 des zweiten gekreuzten Strahlteilers 32 zugewandt. Die Ausgangsseite 44 des zweiten gekreuzten Strahlteilers 32 ist der optischen Schnittstelle 16 zugewandt. Die beiden gekreuzten Strahlteiler 30, 32 sind vorzugsweise zueinander und/oder zur optischen Schnittstelle koaxial angeordnet.
Die Beleuchtungseinheit 18 kann geeignete optische Elemente wie Linsen und/oder nicht dargestellte Spiegel umfassen. Exemplarisch sind in 2 mehrere Linsen 78, 80, 82, 84, 86, 88 dargestellt. Eine Linse 78 ist etwa der optischen Schnittstelle 16 zugeordnet und koppelt von der Ausgangsseite 44 des zweiten gekreuzten Strahlteilers 32 kommendes Licht in die optische Schnittstelle 16 ein. Ferner kann jedem der Leuchtelemente 20, 22, 24, 26, 28 jeweils eine Linse 80, 82, 84, 86, 88 zugeordnet sein. Ein besonders hoher Grad an Kompaktheit kann insbesondere dann erzielt werden, wenn die Leuchtelemente 20, 22, 24, 26, 28 jeweils ohne zwischengeordneten Spiegel an Eingangsseiten 34, 36, 37, 38, 40 des zumindest einen gekreuzten Strahlteilers 30, 32 angeordnet sind. Die Leuchtelemente 20, 22, 24, 26, 28 können dann sehr nah an den zumindest einen gekreuzten Strahlteiler 30, 32 herangerückt werden.
Die gekreuzten Strahlteiler 30, 32 umfassen jeweils zwei Strahlteilerelemente 90, 92, 94, 96. Diese können grundsätzlich teildurchlässig sein, sodass Licht von allen Eingangsseiten 34, 36, 37, 38, 40, 41 zur jeweiligen Ausgangsseite 42, 44 umgelenkt wird. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Strahlteilerelemente 90, 92, 94, 96 selektiv lichtdurchlässig. Dies ist mit weiterer Bezugnahme auf 3 veranschaulicht. Die Strahlteilerelemente 90, 92, 94, 96 können Filter sein, die lediglich in einem definierten Bereich reflektieren, ansonsten aber eine hohe Transmission aufweisen. In 3 sind Transmissionskurven 98, 100, 102, 104 der Strahlteilerelemente 90, 92, 94, 96 der beiden gekreuzten Strahlteiler 30, 32 dargestellt. Jedem der farbigen Leuchtelemente 20, 22, 24, 26 bzw. jeder der gegenüberliegenden Eingangsseiten 34, 36, 38, 40 ist eines der Strahlteilerelemente 90, 92, 94, 96 zugeordnet. Die Strahlteilerelemente 90, 92, 94, 96 sind dabei derart gewählt, dass diese jeweils in demjenigen Wellenlängenbereich reflektieren, in dem das zugeordnete Leuchtelement 20, 22, 24, 26 emittiert, daneben aber weitgehend transmittieren. Hierfür können im mittleren Wellenlängenbereich Kerbfilter verwendet werden, die beispielhaft die Transmissionsspektren 100 und 102 aufweisen können. An spektralen Rändern können anstelle von Kerbfiltern auch Hochpass- oder Tiefpass-Filter verwendet werden, vgl. Transmissionsspektren 98 und 104.
Aufgrund der spezifischen Transmissionsspektren 98, 100, 102, 104 der gekreuzten Strahlteiler 30, 32 wird Licht des fünften Leuchtelements 28 spektral beschnitten. Es kann daher in der bereits erwähnten Weise zweckmäßig sein, das durch die Strahlteiler 30, 32 geblockte Licht gezielt mittels der Leuchtelemente 20 und 24, ggf. auch 22 und/oder 26 zu ergänzen. Hierdurch kann speziell in denjenigen Spektralbereichen ergänzt werden, in denen die Strahlteiler 30, 32 Licht des fünften Leuchtelements 28 absorbieren und/oder reflektieren, jedenfalls aber nicht zur optischen Schnittstelle 16 transmittieren. Die ergänzend eingesetzten Leuchtelemente 20, 24 und ggf. 22 werden dabei vorzugsweise mit verringerter Leistung bzw. mit angepasster Leistung betrieben. Hierbei kann darauf abgezielt werden, das ursprüngliche Spektrum des fünften Leuchtelements 28 zumindest weitgehend wiederherzustellen.
In einigen Ausführungsformen kann das fünfte Leuchtelement 28 alternativ ein grünes Leuchtelement sein, bzw. allgemein ausgedrückt ein farbiges Leuchtelement, das vorrangig in demjenigen Spektralbereich emittiert, den der zumindest eine Strahlteiler 30, 32 transmittiert. Beispielsweise kann das fünfte Leuchtelement 26 in solchen Ausführungsformen eine LED mit einem Emissionspeak bei etwa 530 nm sein. Infrage kommt hierfür auch eine grüne Laserdiode. Dabei kann vorgesehen sein, dass im Weißlichtmodus eine Farbmischung erfolgt und insbesondere keine individuelle Weißlichtquelle wie eine Weißlicht-LED zum Einsatz kommt, sondern Weißlicht aus separaten Leuchtelementen gezielt gemischt wird.
Es versteht sich, dass im Fall geeigneter Farbstoffe ein solches grünes Leuchtelement ebenfalls im Fluoreszenzmodus verwendbar sein kann. Alternativ oder zusätzlich könnte es im Multispektralmodus verwendbar sein.
Die Beleuchtungseinheit 18 definiert einen gemeinsamen optischen Pfad 54, in den emittiertes Licht der Leuchtelemente 20, 22, 24, 26, 28 einkoppelbar ist. Der gemeinsame optische Pfad 54 erstreckt sich ausgehend von der Ausgangsseite 44 des zweiten gekreuzten Strahlteilers 32 zur optischen Schnittstelle. Der gemeinsame optische Pfad 54 ist vorliegend koaxial mit dem fünften Leuchtelement 26 angeordnet.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Leuchtelemente 20, 26 der ersten Gruppe derart angeordnet, dass von den Leuchtelementen 20, 26 emittiertes Licht ausgehend vom jeweiligen Leuchtelement 20, 26 bis zur optischen Schnittstelle 16 jeweils einen zumindest im Wesentlichen gleich langen Lichtweg durchläuft. Die Leuchtelemente 20, 26 der ersten Gruppe weisen jeweils eine lichtemittierende Fläche 56, 58 auf. Die lichtemittierenden Flächen 56, 62 sind bezüglich des gemeinsamen optischen Pfads 54 äquidistant angeordnet. Dies ist vorliegend dadurch erreicht, dass die beiden Leuchtelemente 20, 26 im gleichen Abstand von dem ihnen zugeordneten Strahlteiler 32 (vorliegend exemplarisch der zweite Strahlteiler 32), im Speziellen von dessen gegenüberliegenden Eingangsseiten 38, 40, angeordnet sind. Das Licht wird dabei vom gekreuzten Strahlteiler 32 in den gemeinsamen optischen Pfad 54 eingekoppelt.
Die Strahlteiler 30, 32 sind insbesondere derart angeordnet, dass lichtemittierende Flächen 56, 58, 60, 62, 64 der Leuchtelemente 20, 22, 24, 26, 28 jeweils bezüglich ihres zugeordneten gekreuzten Strahlteilers 30, 32 äquidistant angeordnet sind.
Durch die Verwendung gekreuzter Strahlteiler 30, 32 und für unterschiedliche Modi gemeinsam verwendbarer Leuchtelemente 20, 22, 24, 26, 28 weist die Beleuchtungseinheit 18 bzw. die Beleuchtungsvorrichtung 12 einen hohen Grad an Kompaktheit auf. Zudem kann durch die äquidistante Anordnung erreicht werden, dass keine spektralen Verschiebungen auftreten, wenn das Bildgebungsinstrument 14 bzw. dessen Lichtleiter relativ zu der optischen Schnittstelle 16 verdreht wird.
Es versteht sich, dass eine andere Anzahl von Leuchtelementen 20, 22, 24, 26, 28 und/oder eine andere Anzahl gekreuzter Strahlteiler 30, 32 verwendet werden kann. Die Verwendung gekreuzter Strahlteiler 30, 32 hat sich als besonders zweckmäßig herausgestellt. In anderen Ausführungsformen können aber andere Arten von Strahlteilern und/oder andere optische Elemente verwendet werden, um Licht von den Leuchtelementen 20, 22, 24, 26, 28 in die optische Schnittstelle 16 einzukoppeln.
Im Folgenden werden mehrere Varianten erfindungsgemäßer Flächenstrahler beschrieben, die in der oben beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung 12 verwendbar sind. In 2 sind die Flächenstrahler nicht dargestellt. Ihre jeweilige Ausgestaltung wird sich aber aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Flächenstrahlers 200, der in der Beleuchtungsvorrichtung verwendbar ist. Wie zu erkennen ist, ist der Flächenstrahler 200 hinter der Linse 84 des Leuchtelements 28 angeordnet. Aufgrund dieser Anordnung ist mittels des Leuchtelements 28 Beleuchtungslicht erzeugbar. Zudem ist mittels des Flächenstrahlers 200 Hintergrundlicht erzeugbar. Das Hintergrundlicht kann insbesondere dazu verwendet werden, vor, während oder nach einer Fluoreszenzbildgebung das abzubildende Objekt zu beleuchten. Ein Benutzer kann dann das abzubildende Objekt beurteilen und insbesondere auch Abschnitte des Objekts erkennen, die nicht fluoreszieren, beispielsweise weil dort kein Fluoreszenzfarbstoff eingebracht ist.
In einer Ausführungsform ist ein einzelner solcher Flächenstrahler 200 vorgesehen. Es versteht sich aber, dass mehrere oder sämtliche der Leuchtelemente 20, 22, 24, 26, 28 mit einem solchen Flächenstrahler 200 bestückt sein können. Zudem versteht es sich, dass der Flächenstrahler 200 vor einem beliebigen der Leuchtelemente 20, 22, 24, 26, 28 angeordnet sein kann. Zweckmäßig kann eine Anordnung vor demjenigen Leuchtelement sein, dessen Licht direkt in den optischen Pfad 54 eingekoppelt wird, ohne umgelenkt zu werden. Auf der Seite, auf der dieses Leuchtelement angeordnet ist, ist ein für den Flächenstrahler 200 erforderlicher Bauraum verfügbar, und es können die Lichtwege ausgehend von den anderen Leuchtelementen unbeeinflusst bleiben.
Der Flächenstrahler 200 ist dazu eingerichtet, Hintergrundlicht zu erzeugen und flächig abzustrahlen. Der Flächenstrahler 200 weist hierfür ein Lichtleiterelement 204 auf, das vorliegend als Lichtleiterplatte ausgebildet ist. Das Lichtleiterelement 204 ist plattenförmig oder plattenartig ausgebildet. Es weist eine Abstrahlfläche 224 auf, von der das Hintergrundlicht abgestrahlt wird. Je nach Ausgestaltung kann eine der Abstrahlfläche 224 gegenüberliegende weitere Abstrahlfläche vorgesehen sein. Alternativ kann das Lichtleiterelement 204 dahingehend anisotrop und/oder einseitig ausgebildet sein, dass Licht vorrangig von der Abstrahlfläche 224 abgestrahlt wird und nicht oder zumindest mit erheblich geringerer Intensität von einer der Abstrahlfläche 224 gegenüberliegenden Fläche des Lichtleiterelements 204.
Ferner umfasst der Flächenstrahler 200 eine Lichtquelle 202. Hierbei handelt es sich beispielsweise um ein LED-Array und/oder eine Lichtleiste, das/die sich entlang einer ersten Kante 220 des Lichtleiterelements 204 erstreckt. Die erste Kante 220 kann eine untere Kante sein. Die Lichtquelle 202 erzeugt Licht und strahlt dieses auf die erste Kante 220 ein, wodurch das Licht in das Lichtleiterelement 204 eingekoppelt wird. Das Lichtleiterelement 204 ist in grundsätzlich bekannter Weise mit Streuzentren und/oder Auskoppelstrukturen versehen, aufgrund derer das eingestrahlte Licht in eine Abstrahlrichtung 206 ausgekoppelt wird. Das vom Lichtelement 202 erzeugte Licht wird in der vorliegenden Anordnung bezüglich der Abstrahlrichtung 206 seitlich in das Lichtleiterelement 204 eingekoppelt. Hierdurch kann die Lichtquelle 202 raumsparend und außerhalb optischer Pfade angeordnet sein.
Um Lichtwege innerhalb des Lichtleiterelements 204 zu optimieren und eine Auskopplung an der ersten Kante 220 zu vermeiden oder zumindest zu verringern, weist das Lichtleiterelement 204 an einer der ersten Kante 220 gegenüberliegenden zweiten Kante 222 eine Abschrägung auf. Hierbei handelt es sich vorliegend um eine obere Kante. Eingekoppeltes Licht wird an der zweiten Kante 222 in einem Winkel in das Lichtleiterelement 204 zurückreflektiert und kann somit mit den Streuzentren und/oder Auskoppelstrukturen wirksamer interagieren. Die zweite Kante 222 kann zudem verspiegelt sein, um den Effekt zu verstärken. Beispielsweise kann auf die zweite Kante 222 eine reflektierende Schicht aufgebracht sein, beispielsweise eine aufgedampfte und/oder aufgesputterte Metallschicht.
Im vorliegenden Beispiel ist das Lichtleiterelement 204 lichtdurchlässig ausgebildet. Es kann daher derart angeordnet sein, dass Beleuchtungslicht des Leuchtelement 28 durch das Lichtleiterelement 204 hindurchtritt. Wie in 2 dargestellt ist, definiert das Leuchtelement 28 eine Abstrahlrichtung 208 für das Beleuchtungslicht. Die Abstrahlrichtung 208 für das Beleuchtungslicht und die Abstrahlrichtung 206 für das Hintergrundlicht sind parallel zueinander orientiert. Bei der Verwendung der Beleuchtungsvorrichtung 12 verhalten sich daher das Beleuchtungslicht und das Hintergrundlicht in gewisser Weise so, als kämen sie von derselben Lichtquelle. Das Hintergrundlicht bildet damit Licht einer Blauzunge bzw. anderes zur Hintergrundbeleuchtung verwendetes Licht nach, wie es regelmäßig im Bereich der Fluoreszenzendoskopie durch Einstellen eines geringen Überlapps zwischen Anregungsfilter und Beobachtungsfilter erzeugt wird.
Die Lichtquelle 202 und das Lichtleiterelement 204 sind derart gewählt und ausgestaltet, dass eine Lichtintensität des Beleuchtungslichts größer ist als eine Lichtintensität des Hintergrundlichts, insbesondere wenigstens 2-mal, wenigstens 5-mal, wenigstens 10-mal, wenigsten 50-mal oder wenigstens 100-mal größer. Das Hintergrundlicht wird bei einer Bildaufnahme vom abzubildenden Objekt 120 remittiert und kann dessen Fluoreszenzlicht überlagert sein. Aufgrund der geeignet gewählten geringen Intensität können dann das remittierte Licht und das Fluoreszenzlicht parallel beobachtet werden.
Die Beleuchtungseinheit 18 ist ferner dazu eingerichtet, durch wahlweises An- und Abschalten der Lichtquelle 202 das Hintergrundlicht unabhängig vom Beleuchtungslicht wahlweise an- und abzuschalten. Es sind zur Erzeugung bzw. Abschwächung des Hintergrundlichts keine beweglichen Filter oder sonstige bewegliche mechanische Elemente vorgesehen. Ein einfaches Schalten des Lichtelements genügt daher, um das Hintergrundlicht zu schalten. Hintergrundlicht kann somit schnell und situationsabhängig zu- und abgeschaltet werden. Ferner können Betriebsmodi realisierbar sein, in denen das Hintergrundlicht mit einer bestimmten Wiederholrate geschaltet wird, insbesondere im Wechsel mit oder zusätzlich zu dem Beleuchtungslicht.
Die Lichtquelle 202 kann grundsätzlich ein beliebiges Spektrum aufweisen. Dieses kann breitbandig oder schmalbandig sein. Insbesondere für Fluoreszenzanwendungen ist es zweckmäßig, wenn das Spektrum der Lichtquelle bzw. das Spektrum des Hintergrundlichts einen verwendeten Beobachtungsfilter zumindest teilweise passieren kann. Hierfür können die Lichtquelle 202 des Flächenstrahlers 200 und dasjenige der Leuchtelemente 20, 22, 24, 26, 28, dem der Flächenstrahler 200 zugeordnet ist, aufeinander abgestimmt sein. Insbesondere kann die Lichtquelle 202 derart gewählt sein, dass ihr Spektrum am langwelligen Ende des Spektrums des betreffenden Leuchtelements 20, 22, 24, 26, 28 und/oder am kurzwelligen Ende des verwendeten zugehörigen Beobachtungsfilters liegt und/oder in diesem Wellenlängenbereich einen Überlapp ausbildet. Entsprechend können den unterschiedlichen Leuchtelementen 20, 22, 24, 26, 28 unterschiedliche Flächenstrahler 200 bzw. Flächenstrahler 200 mit unterschiedlichen Lichtquellen 202 zugeordnet sein, die sich hinsichtlich der Wellenlänge des Hintergrundlichts unterscheiden.
In anderen Ausführungsformen kann als Hintergrundlicht Weißlicht eingestrahlt werden. Dieses kann dann durch den verwendeten Beobachtungsfilter teilweise blockiert werden, sodass sich beispielsweise eine Blauzunge oder ein in einem anderen Spektralbereich verorteter Überlappbereich bildet.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Lichtquelle 202 dazu eingerichtet ist, wahlweise in unterschiedlichen Spektralbereichen zu emittieren. Die Lichtquelle 202 kann beispielsweise mehrere unterschiedliche Leuchtelemente umfassen, die unterschiedlich emittieren, etwa verschiedenfarbige LEDs oder LEDs mit einstellbarer Farbe. Hierdurch kann auch mit einem einzelnen Flächenstrahler Hintergrundlicht in unterschiedlichen Spektralbereichen wahlweise bereitstellbar sein.
5 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines zweiten Flächenstrahlers 300, der in der Beleuchtungsvorrichtung 12 verwendbar ist. Der Flächenstrahler 300 ist grundsätzlich analog zum Flächenstrahler 200 ausgebildet und weist eine Lichtquelle 302 auf, die Licht seitlich in ein Lichtleiterelement 304 des Flächenstrahlers 300 einkoppelt, das eine Abstrahlrichtung 306 definiert. Bezüglich der Beschreibung kann auch auf die obigen Ausführungen verwiesen werden.
Der Flächenstrahler 300 umfasst ein optisches Element 310, das vorliegend der Umlenkung des Beleuchtungslichts dient. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eines der in der Beleuchtungseinheit 16 verwendete Strahlteilerelemente 90, 92, 94, 96. Es könnte sich alternativ auch um eine Abdeckscheibe eines Leuchtelements 20, 22, 24, 26, 28 oder dergleichen handeln. Das optische Element 310 ist mit dem Lichtleiterelement 304 integral ausgebildet. Im vorliegenden Fall bildet das optische Element 310 das Lichtleiterelement 304 aus. Der Flächenstrahler 300 kann daher sehr bauraumeffizient in die Beleuchtungseinheit 18 integriert werden.
Die Lichtquelle 302 ist als eine Lichtleiste ausgebildet, die Licht seitlich in das Lichtleiterelement 304 einkoppelt. Zusätzlich kann in einigen Ausführungsformen eine weitere Lichtquelle 314 vorgesehen sein, die Licht ebenfalls seitlich in das Lichtleiterelement 304 einkoppelt. Die beiden Lichtquellen 304, 314 koppeln dabei Licht von unterschiedlichen Seiten bzw. in unterschiedliche Kanten des Lichtleiterelements 304 ein. Konkret strahlt die Lichtquelle 302 Licht in eine erst Richtung 316 ein, und die zweite Lichtquelle 314 strahlt Licht in eine zweite Richtung 318 ein. Die beiden Richtungen 316, 318 stehen jeweils zumindest im Wesentlichen senkrecht auf die Abstrahlrichtung 306 des Lichtleiterelements 304. Zudem können die beiden Richtungen 316, 318 senkrecht aufeinander stehen. Generell können die Richtungen 316, 318 auf eine Mitte des Lichtleiterelements 304 zeigen. Lichtquellen 302, 314 können entlang mehrerer Kanten und/oder zumindest abschnittsweise entlang eines Umfangs des Lichtleiterelements 304 angeordnet sein, wodurch eine homogene Ausleuchtung erzielbar ist.
6 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines dritten Flächenstrahlers 400, der in der Beleuchtungsvorrichtung verwendbar ist. Der Flächenstrahler 400 ist grundsätzlich analog zum Flächenstrahler 200 ausgebildet und weist eine Lichtquelle 402 auf, die Licht seitlich in ein Lichtleiterelement 404 des Flächenstrahlers 400 einkoppelt, das eine Abstrahlrichtung 406 definiert. Bezüglich der Beschreibung kann auch auf die obigen Ausführungen verwiesen werden.
Der Flächenstrahler 400 weist ein optisches Element 410 auf, bei dem es sich um eine der Linsen 80, 82, 84, 86, 88 der Beleuchtungseinheit 18 handelt. Das optische Element 410 bildet das Lichtleiterelement 304 aus, die betreffende Linse 80, 82, 84, 86, 88 dient somit als Lichtleiterelement 304. Das optische Element kann dazu ausgebildet sein, von dem zugehörigen Leuchtelement 20, 22, 24, 26, 28 eingestrahltes Beleuchtungslicht geeignet zu brechen, vorliegend beispielsweise zu kollimieren. Zusätzlich hierzu kann das optische Element 410 geeignete Streuzentren und/oder Auskoppelstrukturen aufweisen, sodass ein von der Lichtquelle 402 eingestrahlte Licht als Hintergrundlicht flächig abgestrahlt wird. Das Lichtleiterelement 404 weist somit ähnlich wie das oben beschriebene Lichtleiterelement 304 eine Doppelfunktion auf, wodurch ein hoher Grad an Kompaktheit erzielbar ist.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Flächenstrahlers 500, der in der Beleuchtungsvorrichtung 12 verwendbar ist. Der Flächenstrahler 500 ist grundsätzlich analog zum Flächenstrahler 200 ausgebildet und weist eine Lichtquelle 502 auf, die Licht seitlich in ein Lichtleiterelement 504 des Flächenstrahlers 500 einkoppelt, das eine Abstrahlrichtung 506 definiert. Bezüglich der Beschreibung kann auch auf die obigen Ausführungen verwiesen werden.
Wie in 7 zu erkennen ist, weist das Lichtleiterelement 504 an gegenüberliegenden Kanten 520, 522 jeweils eine Abschrägung auf. Hierdurch wird von der Lichtquelle 502 eingestrahltes Licht bereits beim Eintritt in das Lichtleiterelement 504 an einer ersten Kante 520 gebrochen. Ferner wird es an einer zweiten Kante 522 umgelenkt, wodurch ein verlängerter Lichtweg und eine verstärkte Interaktion mit Streuzentren und/oder Auskoppelstrukturen des Lichtleiterelements erzielt wird.
8 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines fünften Flächenstrahlers 600. Der Flächenstrahler 600 ist grundsätzlich analog zum Flächenstrahler 200 und analog zum Flächenstrahler 300 ausgebildet und weist eine Lichtquelle 602 auf, die Licht seitlich in ein Lichtleiterelement 604 des Flächenstrahlers 600 einkoppelt, das eine Abstrahlrichtung 606 definiert. Bezüglich der Beschreibung kann auch auf die obigen Ausführungen verwiesen werden.
Vorliegend umfasst die Beleuchtungseinheit 18 eine Halterung 612, welche einen der gekreuzten Strahlteiler 30, 32 trägt. Der Flächenstrahler 600 umfasst ein optisches Element 610, bei dem es sich um eines der Strahlteilerelemente 90, 92, 94, 96 handelt. Das optische Element 610 bildet das Lichtleiterelement 604 aus. Die Lichtquelle 602 ist in die Halterung 612 integriert. Vorliegend ist die Lichtquelle 602 in einen Boden der Halterung 612 integriert und befindet sich unterhalb des optischen Elements 610. Es kann somit die Lichtquelle ohne zusätzlichen Raumbedarf angeordnet werden und Licht in das optische Element 610 einkoppeln. Zudem hat das optische Element 610 eine Doppelfunktion und dient sowohl der Umlenkung von Beleuchtungslicht als auch der Abstrahlung von Hintergrundlicht.
Ferner sind vorliegend in dem Lichtleiterelement 604 Auskoppelstrukturen vorgesehen, die eine Abstrahlrichtung 606 bewirken, die in einem Winkel von etwa 45 Grad zur Oberfläche des Lichtleiterelements 604 steht. Das Hintergrundlicht wird daher parallel zum gemeinsamen optischen Pfad 54 abgestrahlt und ist somit auf die optische Schnittstelle 16 gerichtet.
In anderen Ausführungsformen kann in dieser Variante auch ein Lichtleiterelement 604 verwendet werden, das in einem großen Winkelbereich abstrahlt, beispielsweise mehr oder weniger isotrop. Zumindest ein Teil des abgestrahlten Lichts kann dann zu der optischen Schnittstelle 16 gelangen.
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, wie in einem Verfahren zur Erzeugung von Beleuchtungslicht für ein Bildgebungsinstrument 14 mittels der Beleuchtungsvorrichtung 12 Beleuchtungslicht erzeugt werden kann.
Zudem ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung, dass ein Verfahren zum Betrieb der Bildgebungsvorrichtung umfassen kann, dass mittels der Beleuchtungsvorrichtung 12 erzeugtes Beleuchtungslicht an das Bildgebungsinstrument 14 geliefert wird.
Bezugszeichenliste

10: Bildgebungsvorrichtung
12: Beleuchtungsvorrichtung
14: Bildgebungsgerät
16: optische Schnittstelle
18: Beleuchtungseinheit
20: Leuchtelement
22: Leuchtelement
24: Leuchtelement
26: Leuchtelement
28: Leuchtelement
30: Strahlteiler
32: Strahlteiler
34: Eingangsseite
36: Eingangsseite
37: Eingangsseite
38: Eingangsseite
40: Eingangsseite
41: Eingangsseite
42: Ausgangsseite
44: Ausgangsseite
46: Filtereinheit
48: Filter
50: Filter
52: Filter
54: optischer Pfad
56: lichtemittierende Fläche
58: lichtemittierende Fläche
60: lichtemittierende Fläche
62: lichtemittierende Fläche
64: lichtemittierende Fläche
66: Steuerung
68: Kameraeinheit
70: Beobachtungsstrahlengang
72: Filtersensor
74: Anzeigeeinheit
76: Schaft
77: Optik
78: Linse
80: Linse
82: Linse
84: Linse
86: Linse
88: Linse
90: Strahlteilerelement
92: Strahlteilerelement
94: Strahlteilerelement
96: Strahlteilerelement
98: Transmissionsspektrum
100: Transmissionsspektrum
102: Transmissionsspektrum
104: Transmissionsspektrum
120: Objekt
200: Flächenstrahler
202: Lichtquelle
204: Lichtleiterelement
206: Abstrahlrichtung
208: Abstrahlrichtung
220: Kante
222: Kante
224: Abstrahlfläche
300: Flächenstrahler
302: Lichtquelle
304: Lichtleiterelement
306: Abstrahlrichtung
310: optisches Element
314: Lichtquelle
316: Richtung
318: Richtung
400: Flächenstrahler
402: Lichtquelle
404: Lichtleiterelement
406: Abstrahlrichtung
410: optisches Element
500: Flächenstrahler
502: Lichtquelle
504: Lichtleiterelement
506: Abstrahlrichtung
522: Kante
524: Kante
600: Flächenstrahler
602: Lichtquelle
604: Lichtleiterelement
606: Abstrahlrichtung
610: optisches Element
612: Halterung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202014010558 U1 [0009]
DE 102020105458 A1 [0011]
DE 102010019051 A1 [0037]
WO 2011131429 A1 [0037]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Review of spectral imaging technology in biomedical engineering: achievements and challenges" von Quingli Li et al. Erschienen in Journal of Biomedical Optics 18(10), 100901, Oktober 2013 [0069]
„Medical hyperspectral imaging: a review" von Guolan Lu und Baowei Fei, erschienen in Journal of Biomedical Optics 19(1), 010901, Januar 2014 [0069]

Claims

Beleuchtungsvorrichtung (12), insbesondere zur Bereitstellung von Beleuchtungslicht für ein medizinisches Bildgebungsinstrument (14) wie ein Endoskop, umfassend: eine optische Schnittstelle (16) zur optischen Anbindung eines Bildgebungsinstruments (14); und eine Beleuchtungseinheit (18), die dazu eingerichtet ist, Beleuchtungslicht an die optische Schnittstelle (16) zu liefern, mittels dessen bei einer Bildgebung ein abzubildendes Objekt (120) beleuchtbar ist, und die ferner dazu eingerichtet ist, Hintergrundlicht an die optische Schnittstelle (16) zu liefern, mittels dessen das abzubildende Objekt (120) zur Vorbereitung und/oder zur Beurteilung der Bildgebung beleuchtbar ist, wobei die Beleuchtungseinheit (18) umfasst: zumindest ein Leuchtelement (20, 22, 24, 26, 28), das dazu eingerichtet ist, das Beleuchtungslicht zu erzeugen; und zumindest einen Flächenstrahler (200; 300; 400; 500; 600), der dazu eingerichtet ist, das Hintergrundlicht zu erzeugen und flächig abzustrahlen, wobei der Flächenstrahler (200; 300; 400; 500; 600) eine Lichtquelle (202; 302, 314; 402; 502; 602) und ein Lichtleiterelement (204; 304; 404; 504; 604) umfasst, wobei das Lichtleiterelement (204; 304; 404; 504; 604) eine Abstrahlrichtung (206; 306; 406; 506; 606) für das Hintergrundlicht definiert, und wobei von der Lichtquelle (202; 302; 402; 502; 602) erzeugtes Licht bezüglich der Abstrahlrichtung (206; 306; 406; 506; 606) seitlich in das Lichtleiterelement (204; 304; 404; 504; 604) einkoppelbar ist.
Beleuchtungsvorrichtung (12) nach Anspruch 1, wobei das Lichtleiterelement (204; 304; 404; 504; 604) lichtdurchlässig ausgebildet ist, und wobei das Leuchtelement (20, 22, 24, 26, 28) derart angeordnet ist, dass das Beleuchtungslicht durch das Lichtleiterelement (204; 304; 404; 504; 604) hindurchtritt.
Beleuchtungsvorrichtung (12) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Leuchtelement (20, 22, 24, 26, 28) eine Abstrahlrichtung (208) für das Beleuchtungslicht definiert, und wobei die Abstrahlrichtung (208) für das Beleuchtungslicht und die Abstrahlrichtung (206; 306; 406; 506) für das Hintergrundlicht im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind.
Beleuchtungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinheit (18) ein optisches Element (310; 410; 610) umfasst, das der Fokussierung und/oder Brechung und/oder Kollimation und/oder Umlenkung des Beleuchtungslichts dient, und wobei das Lichtleiterelement (304; 404; 604) mit dem optischen Element (310; 410; 610) integral ausgebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (12) nach Anspruch 4, wobei das Lichtleiterelement (304; 404; 604) von dem optischen Element (310; 410; 610) gebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (12) nach Anspruch 5, wobei das optische Element (310; 410; 610) eine Linse und/oder einen Strahlteiler umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Beleuchtungseinheit (18) eine Halterung (612) für das optische Element (610) umfasst, und wobei die Lichtquelle (602) in die Halterung (612) integriert ist.
Beleuchtungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinheit (18) dazu eingerichtet ist, durch wahlweises An- und Abschalten der Lichtquelle (202; 302; 402; 502; 602) das Hintergrundlicht unabhängig vom Beleuchtungslicht wahlweise an- und abzuschalten.
Beleuchtungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beleuchtungslicht der Aufnahme von Fluoreszenzbildern dient, und wobei das Hintergrundlicht während der Aufnahme der Fluoreszenzbilder zur Verfügung steht, um das abzubildende Objekt durch Remission des Hintergrundlichts an dem abzubildenden Objekt (120) zu beobachten.
Beleuchtungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Lichtintensität des Beleuchtungslichts größer ist als eine Lichtintensität des Hintergrundlichts, insbesondere wenigstens 2-mal, wenigstens 5-mal, wenigstens 10-mal, wenigsten 50-mal oder wenigstens 100-mal größer.
Bildgebungsvorrichtung (10), umfassend: eine Beleuchtungsvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und ein Bildgebungsinstrument (14), das mit der optischen Schnittstelle (16) der Beleuchtungsvorrichtung (12) verbindbar ist.
Verfahren zur Erzeugung von Beleuchtungslicht für ein Bildgebungsinstrument (14) mittels einer Beleuchtungsvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verfahren zum Betrieb einer Bildgebungsvorrichtung (10), insbesondere nach Anspruch 11, wobei die Bildgebungsvorrichtung (10) ein Bildgebungsinstrument (14) umfasst; und wobei gemäß einem Verfahren nach Anspruch 12 Beleuchtungslicht an das Bildgebungsinstrument (14) geliefert wird.