DE10230955A1

DE10230955A1 - Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10230955A1
Application number: DE2002130955
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Phys. Fraatz
Original assignee: MEDICAL LASER RENT
Current assignee: EHB MEDICAL UG (HAFTUNGSBESCHRAENKT), DE
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2022-07-11
Also published as: AU2003250008A1; WO2004008114A1; DE10230955B4

Abstract

Die erfindungsgemäße Lösung stellt ein Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen und dessen Vorrichtung derart unter Schutz, dass eine variable Beleuchtungseinheit in Verbindung mit einem Betrachtungssystem steht, dessen Einsatz in der Medizin, in ästhetisch-kosmetischen Eingriffen und Untersuchungen als auch an beliebigen organischen und anorganischen Substanzen zu finden ist. Unter Verwendung von polarisiertem Licht zur Oberflächenbeleuchtung in Kombination mit einem mindestens einen Analysator enthaltenden Betrachtungssystem, welches das von der Oberfläche reflektierte Licht anwendungsfallabhängig entweder sperrt oder zum Auge des Betrachters durchlässt, wird zum Beleuchten elliptisch polarisiertes Licht verwendet und zum Betrachten hinsichtlich des Drehsinns werden nach Reflexion sperrende oder durchlassende Analysatorsysteme verwendet. Ein linearer Polfilter und ein optisches Verzögerungselement sind gegeneinander drehbar so gehalten, dass elliptisch bzw. zirkular polarisiertes Licht mit rechts- oder linksgängigem Drehsinn nach Bedarf herstellbar ist und dass die Polarisationseinheit bei Bedarf zu entfernen und der Analysator in das Gesichtsfeld des Betrachters einschwenkbar oder aus dem Gesichtfeld des Betrachters wegzuklappen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mittels einer variablen Beleuchtungseinheit in Verbindung mit einem Betrachtungssystem entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Lösung ist im Rahmen medizinischer und ästhetisch-kosmetischer Eingriffe und Untersuchungen als auch an beliebigen organischen und anorganischen Substanzen zum Einsatz zu bringen.
Allgemein bekannt ist, dass in Abhängigkeit des Beobachtungsziels von feuchten und/oder hochglänzenden Oberflächen das reflektierte Licht die Sicht erheblich beeinträchtigt. Im Bereich der Dermatologie wird z.B. die Erkennung subepidermaler Strukturen durch das von der Hautoberfläche reflektierte Licht erschwert.
Zur Untersuchung einer Reliefstruktur, z.B. der Hautoberfläche, wiederum benötigt man als Informationsträger bevorzugt das reflektierte Licht, während das aus tiefer liegenden Schichten gestreute Licht die Sicht beeinträchtigt.
Ferner muss zur Beurteilung des Resultates bzw. zur Steuerung vieler medizinischer oder technischer Eingriffe und Arbeiten eine Lampe ebenfalls möglichst tageslichtähnliche Beleuchtungsverhältnisse herstellen können, damit das natürliche Erscheinungsbild der Oberfläche incl. reflektiertem und gestreutem Anteil betrachtet werden kann und das Resultat einer Arbeit auf natürliche Lichtverhältnisse zugeschnitten werden kann. Außerdem erscheint es von Wichtigkeit, die Größe der Beleuchtungsfläche auf ein Optimum einstellen zu können, um u.a. Reflexionen an die Betrachtungsfläche umgebenden Instrumenten zu verhindern.
Das WO 00/11451 A1 stellt ein Verfahren und seine Anordnung, bestehend aus einem Beleuchtungsapparat und einer Betrachtungseinheit, unter Schutz, welches die Aufgaben der selektiven Reliefstrukturbetrachtung und der Ausblendung von Oberflächenreflexion durch den Einsatz eines drehbaren linearen Polarisationsfilters hinter einer Lichtquelle in Verbindung mit einem feststehend angebrachten linearen Polarisationsfilter als Analysator innerhalb der Betrachtungseinheit löst. Aus der Beschreibung der Anordnungen geht hervor, dass während einer Untersuchung beide Apparaturen vorzugsweise als ein zusammenhängendes System mit Halterung und Befestigungseinrichtungen verwendet werden.
Nachteilig hierbei ist, dass dieses System nicht vorsieht, die Lichtquelle auch als konventionelle Beleuchtung mit tageslichtartigem Spektrum und unpolarisiertem Licht einzusetzen. Ferner ist es bei der ebenfalls beschriebenen Möglichkeit der Trennung von Lichtquelle und Betrachtungseinheit nachteilig, dass für einen oder mehrere Betrachter mit unterschiedlichen Stellungen und Standorten relativ zur Einfallsebene des Lichtes unterschiedliche Strukturinformationen hervorgehoben werden.
Des weiteren ist aus der DE-PS 199 10 079 C1 ebenfalls ein Verfahren und dessen Vorrichtung zur Verhinderung von Reflexionen unter Einsatz von polarisiertem Licht bekannt, die eine Arbeitsfeldbeleuchtung mit einem linear polarisierenden Filter ausstattet und das von der zu betrachtenden Oberfläche kommende Licht mit einem weiteren frei drehbaren, linearen Polarisationsfilter analysiert.
Diese Anordnung hat den Nachteil, dass gemäß der Fresnellschen Formeln sowohl der Anteil des von einer Oberfläche, z.B. einer Hautoberfläche, reflektierten als auch der Anteil des in das Betrachtungsmedium eindringenden Lichtes stark vom Einstrahlwinkel und der Polarisationsrichtung relativ zur Einfallsebene abhängen und damit die Bildqualität in Abhängigkeit der Position der Lichtquelle zur Betrachtungsfläche, z.B. dem Patienten, variiert. Dies wirkt sich besonders dann aus, wenn mehrere Betrachter trotz individuell angepasster Analysatorstellung der Betrachtungseinheit aus unterschiedlicher Richtung auf die gleiche Oberfläche schauen oder ein Einzelbetrachter seine Position relativ zur Beleuchtungsquelle und/oder Betrachtungsfläche ändert. Ferner muss der nur für linear polarisiertes Licht durchlässige drehbare Filter der Betrachtungsvorrichtung nach Positionswechsel des Betrachters meist neu eingestellt werden.
Oben genannte Verfahren fußen alle auf der Verwendung von linear polarisiertem Licht zur Oberflächenbeleuchtung und dem Erhalt der Polarisationseigenschaften nach Reflexion und sukzesssiver Depolarisation nach Eindringen in das zu betrachtende Material. Unter gekreuzten Polarisatoren von Beleuchtungs- und Betrachtungseinheit erhält man demgemäß eine optimale Sicht für suboberflächliche Strukturelemente, während bei paralleler Filterstellung die Reliefstruktur hervorgehoben dargestellt wird. Systemimmanent sind dabei die Nachteile dieser beschriebenen Anordnungen durch Verwendung von linear polarisiertem Licht zur Beleuchtung der Oberfläche.
Diese Nachteile können durch Oberflächenbeleuchtung mit elliptisch bzw. zirkular polarisiertem Licht in Verbindung mit entsprechend angepassten Betrachtungssystemen vermieden werden. Elliptisch polarisiertes Licht behält wie auch linear polarisiertes Licht nach Reflexion seine Polarisationseigenschaft. Allerdings wird zur Ausblendung des von der Oberfläche reflektierten Lichtanteils der weitgehend richtungsunabhängig beobachtbare Drehsinn und nicht die lineare Polarisationsrichtung des Lichtes ausgenutzt.
So wird die Kontraststeigerung und Reflexminderung an Computerbildschirmen, Anzeigenoberflächen etc. weit verbreitet dadurch erreicht, dass elliptisch polarisierende Folien direkt auf die zu betrachtenden Flächen aufzubringen sind.
Einige theoretische Grundlagen und die mögliche Verwendung eines zirkular polarisierenden Filters zur Sichtverbesserung im Bereich der Biomikroskopie sind auch von E. Peli, Arch Ophtalmol 1985; 103: 670–2 veröffentlicht.
So macht sich diese Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren zum Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aus derzeit bekannten optischen Komponenten so zu konzipieren, dass das Verfahren als auch die Vorrichtung sowohl als konventionelles Beleuchtungssystem als auch als Beleuchtungs- und Betrachtungssystem zur optimierten Erkennung der Reliefstruktur oder suboberflächlicher Bereiche einzusetzen ist und dabei aus unterschiedlichen Positionen relativ zu Lichtquelle und/oder Betrachtungsfläche für den mindestens einen Beobachter bei u.U. variierbarer Beleuchtungsfläche gleiche Strukturinformationen bei gleicher Bildqualität dargestellt werden.
Hinsichtlich des Verfahrens zum Beleuchten wird die Aufgabe mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Elemente einer an sich bekannten Lichtquelle in optionaler Verbindung mit einer an sich bekannten Polarisatoreinheit innerhalb eines Beleuchtungssystems so eingesetzt werden, dass elliptisch bzw. zirkular polarisiertes Licht oder unpolarisiertes Licht mit unterschiedlicher Drehrichtung zur Oberflächenbeleuchtung hergestellt werden kann. Die Beleuchtungsfeldgröße wird bevorzugt mit einer Irisblende eingestellt. Hinsichtlich des Verfahrens zum Betrachten wird die Aufgabe mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Analysatorelemente für elliptisch bzw. zirkular polarisiertes Licht innerhalb des Betrachtungssystems so eingesetzt werden, dass entweder über das Einstellen der Drehrichtung des die Oberfläche ausleuchtenden Lichtes einer Lichtquelle oder das Ändern der Durchlassrichtung des Betrachtungssystems einzustellen ist, ob Relief oder suboberflächliche Struktureinheiten hervorgehoben betrachtet werden.
Als Vorteile zum erfindungsgemäßen Verfahren erweisen sich wie folgt: Das Beleuchtungssystem und das Betrachtungssystem sind so konzipiert, dass vergleichbare Kontraste und Bildqualitäten für den mindestens einen Betrachter ebenfalls erreicht werden und erhalten bleiben, wenn Beleuchtungssystem und Betrachtungssystem als getrennte Einheiten zum Einsatz kommen.
Größere Flächen können heller ausgeleuchtet werden, weil das Beleuchtungssystem als eine nicht am Körper und in fester Verbindung mit dem Betrachtungssystem zu tragende Einheit flexibler dimensionierbar ist und damit deutlich leistungsfähiger ausgelegt werden kann.
Zur Ausleuchtung großer Flächen können mehrere Beleuchtungssysteme, die elliptisch polarisiertes Licht mit gleichem Drehsinn erzeugen flexibel und beweglich eingesetzt werden, ohne dass die Polarisationsfilterstellungen der verwendeten Lichtquellen zu jeder Beleuchtungs-, Betrachtungssituation neu aufeinander abgestimmt werden müssen.
Dem Beobachter stehen sehr leichte und komfortabel tragbare Betrachtungssysteme zur Verfügung.
Das Beleuchtungssystem ist so konzipiert, dass vergleichbare Kontraste und Bildqualitäten für den Betrachter auch erhalten bleiben, wenn Lichtquelle und/oder Betrachtungssystem relativ zur Oberfläche bewegt oder gedreht werden bzw. von oben beleuchtet wird und Operateure aus verschiedenen Richtungen auf die zu therapierende Oberfläche schauen.
Dieses System ist mithin so gestaltet, dass bei Verwendung eines gemeinsamen Beleuchtungssystems für mehrere Betrachter mit gleich eingestellten Betrachtungssystemen vergleichbare Sichtverhältnisse vorliegen. Durch Veränderung der Drehrichtung des einfallenden Lichtes verändert sich auch der Betrachtungsmode für alle Beobachter gleichartig.
Es ist ebenfalls möglich, Betrachtungssysteme mit variablen Analysatoren zum Einsatz zu bringen, die es dem Beobachter überlassen, zu entscheiden, ob das von der Oberfläche reflektierte Licht durchgelassen oder gesperrt wird. Unabhängig von der eingestellten Drehrichtung des einfallenden Lichtes ist es jedem Beobachter möglich den seinen eigenen Bedürfnissen entsprechenden Betrachtungsmode zu wählen, ohne die Sicht anderer Beobachter zu beeinflussen.
Ausserdem ergibt sich als Vorteil, dass die erfindungsgemäße Apparatur mit einem unpolarisierten Licht als konventionelle Lichtquelle anwendbar ist, wenn die Polarisatoreinheit entfernt wird. Durch den Einsatz einer Irisblende vor eine Abbildungslinse ist die Beleuchtungsfeldgröße bedarfsgerecht einzustellen.
In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dessen genannten Vorteilen zeichnet sich die dazugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dadurch aus, dass elliptisch polarisiertes Licht mit Rechts- oder Linksgang nach Bedarf hergestellt werden kann und die Umstellung durch einfaches Drehen am linearen Polarisator und/oder optischen Verzögerungselement des Beleuchtungssystems erfolgt.
Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Zeichnung soll hiermit eine erfindungsgemäße Lösung beschrieben werden.
Hierbei zeigen
1 das Beleuchtungssystem
2 das Betrachtungssystem.
Die 1 zeigt ein Beleuchtungssystem 1 , welches als Decken- , Wand-, Tischkonstruktion oder auf einem Stativ, als Hand-, Kopflampe etc. angeordnet sein kann. In Richtung des zu Untersuchenden sind die zur Beleuchtung notwendigen Elemente wie folgt angeordnet: Der anwendungsfallabhängig auszuwählenden Halogenlampe 1.1 sind ein UV-Filter 1.2 und ein IR-Filter 1.3 nachgeordnet. Die Beleuchtungsfeldgröße wird mit einer Irisblende 1.4 eingestellt. Die Beleuchtungsfelderzeugung erfolgt mit Hilfe eines konvexen Linsensystems, dem Objektiv 1.5. Hinter dem Objektiv 1.5 befindet sich ein linear polarisierender Filter 1.6. Diesem folgt ein λ/4 Verzögerungselemt 1.7. Der linear polarisierende Filter 1.6 und das Verzögerungselemt 1.7 sind gegeneinander so drehbar, dass elliptisch polarisiertes Licht mit Rechts- und Linksgang nach Bedarf hergestellt werden kann. Das Beleuchtungssystem 1 ist so konzipiert, dass Filter 1.6 und Verzögerungselement 1.7 als Polarisatoreinheit 1.8 abnehmbar sind und das Beleuchtungssystem 1 somit ebenfalls als konventionelle Lichtquelle benutzt werden kann.
Das in 2 dargestellte Betrachtungssystem 2 besteht aus einer Kopfbandlupe 2.1 und einem einschwenkbarem Analysator 2.2. Der Analysator 2.2 besteht aus einer der betrachteten Fläche zugewandten λ/4 Verzögerungsfolie und einer unter einem Winkel von 45° zur Vorzugsrichtung des optischen Verzögerungelementes angebrachten linearen Polfolie.
Erzeugt man mit dem Beleuchtungssystem 1 elliptisch polarisiertes Licht, das nach Reflexion (Umkehr seiner Drehrichtung) vom Analysator 2.2 des Betrachtungssystems 2 gesperrt wird, erhält man ein optimales Bild der unter der reflektierenden Oberfläche liegenden Struktur.
Erzeugt man mit dem Beleuchtungssystem 1 elliptisch polarisiertes Licht das nach Reflexion (Umkehr seiner Drehrichtung) vom Analysator 2.2 des Betrachtungssystems 2 durchgelassen wird, erhält man ein optimales Bild der oberflächlichen Reliefstruktur.
Erzeugt man mit dem Beleuchtungssystem 1 nach Entfernung der Polarisatoreinheit 1.8 unpolarisiertes Licht, so ist ein weitgehend natürliches Erscheinungsbild der Oberfläche zu betrachten. Bei Verwendung der Kopfbandlupe 2.1 ist der Analysator 2.2 für diesen Betriebsmode zurückklappbar.
Die Beleuchtungsfeldgrößen sind in jedem oben genannten Betriebsmode mittels der Irisblende 1.4 einstellbar.

1: Beleuchtungssystem
1.1: Lichtquelle
1.2: UV-Filter
1.3: IR-Filter
1.4: Irisblende
1.5: Objektiv
1.6: Optisches Verzögerungselement λ/4
1.7: Polarisationseinheit
2.: Betrachtungssystem
2.1: Kopfbandlupe
2.2: Analysator

Claims

Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen durch Verwendung von polarisiertem Licht zur Oberflächenbeleuchtung in Kombination mit einem mindestens einen Analysator enthaltenden Betrachtungssystem, welches das von der Oberfläche reflektierte Licht anwendungsfallabhängig entweder sperrt oder zum Auge des Betrachters durchlässt, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beleuchten elliptisch polarisiertes Licht verwendet wird und dass zum Betrachten hinsichtlich des Drehsinns nach Reflexion sperrende oder durchlassende Analysatorsysteme verwendet werden.
Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein an sich bekannter Analysator zum Betrachten von mit elliptisch polarisiertem Licht beleuchteten Oberflächen innerhalb eines Betrachtungssystems verwendet wird.
Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Betrachtungssystems ein optisches Verzögerungselement und ein linear polarisierender Filter separat und gegeneinander drehbar verstellt werden und die Durchlasscharakteristik für elliptisch polarisiertes Licht vom Betrachter selbst eingestellt wird.
Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen der Durchlasscharakteristik des Betrachtungssystems durch Einsatz unterschiedlich dimensionierter optischer Verzögerungselemente ermöglicht wird.
Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Beleuchtungssystem eine an sich bekannte Lichtquelle in Kombination mit einem an sich bekannten Polarisator so verwendet wird, das elliptisch polarisiertes Licht als Oberflächenbeleuchtung abgegeben wird.
Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Beleuchtungssystems ein linear polarisierender Filter und ein optisches Verzögerungselement separat und gegeneinander drehbar verstellt werden, um elliptisch polarisierendes Licht mit rechts- oder linksgängigem Drehsinn herstellen zu können.
Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen der Polarisationscharakteristik des vom Beleuchtungssystem abgegebenen Lichtes mittels Beleuchtungssystem abgegebenen Lichtes mittels unterschiedlich dimensionierter optischer Verzögerungselemente erfolgt.
Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kamera mit entsprechender Analysatorausrüstung als Aufzeichnungs- und/oder Betrachtungssystem verwendet wird.
Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz unterschiedlicher Lichtquellen und/oder Filterelemente eine Sichtverbesserung auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche positioniert wird.
Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein frei bewegliches oder in Verbindung mit dem Beleuchtungssystem stehendes Betrachtungssystem vor die zu beobachtende Fläche positioniert wird.
Vorrichtung zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, mit einem Beleuchtungssystem (1), bestehend aus einer Halogenlampe als Lichtquelle (1.1), einem UV-Filter (1.2), einem IR-Filter (1.3), einer Irisblende (1.4), einem Objektiv (1.5), einem linearen Polarisator (1.6) und einem Verzögerungselement (1.7) sowie einem Betrachtungssystem (2) bestehend aus einer Kopfbandlupe (2.1) und einem Analysator (2.2) für elliptisch polarisiertes Licht (2.2) dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Polfilter (1.6) und das optische Verzögerungselement (1.7) gegeneinander so drehbar gehalten sind, dass elliptisch bzw. elliptisch polarisiertes Licht mit rechts- oder linksgängigem Drehsinn nach Bedarf herstellbar ist und dass die Polarisationseinheit (1.8) bei Bedarf zu entfernen und der Analysator (2.2) in das Gesichtsfeld des Betrachters einschwenkbar oder aus dem Gesichtsfeld des Betrachters wegzuklappen ist.
Vorrichtung zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren Substrukturen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, dass das Betrachtungssystem (2) sowohl als konventionelle Kopfbandlupe als auch als Lupenanalysator zur Betrachtung von mit elliptisch polarisiertem Licht beleuchteten Oberflächen einzusetzen ist.