DE19741616A1

DE19741616A1 - Adaptive Beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE19741616A1
Application number: DE19741616A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Hofmann; Ulrich Babst; Gerald Dr Sobotta
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1997-09-20
Filing date: 1997-09-20
Publication date: 1999-04-15

Description

Die Erfindung betrifft eine adaptive Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer Lichtquelle, deren Strahlung mittels eines Kondensors und einer Projektionsoptik über eine Vielzahl von Beleuchtungskanälen auf ein Sichtfeld gerichtet wird, wobei je einem oder mehreren Beleuchtungskanälen je ein Beleuchtungsfeld innerhalb des Sichtfeldes zugeordnet ist und wobei die Gesamtheit der Beleuchtungsfelder das Sichtfeld lückenlos ausfüllt.

Eine Einrichtung der o.g. Art ist in der DE 32 42 716 C2 beschrieben und dient dort zur gleichmäßigeren Ausleuchtung von Körperhohlräumen mittels eines Endoskops. Dazu kann entweder der Beleuchtungsschwerpunkt einer Lichtquelle aus der zentralen Richtung heraus verschoben werden oder es kann analog dazu eine verschiebbare Blende vorhanden sein, die zwischen der Lichtquelle und einer Kondensorlinse angeordnet ist. Zur Lichtführung kann dabei auch ein Faserbündel zur Anwendung kommen. Zu einer definierteren Lichtaufteilung, als sie mit nur einer Lichtquelle möglich ist, kann die bekannte Einrichtung auch mehrere Lichtquellen mit entsprechenden Kollektorlinsen und Helligkeitsregelungen aufweisen. Dies gestaltet jedoch die gesamte Einrichtung sehr aufwendig und ermöglicht trotzdem nur in seltenen Fällen die vollständige Auslöschung aller, nahezu punktförmiger Reflexe, die auf feuchten Gewebeoberflächen entstehen. Letztere stören jedoch gerade die mit CCD-Kameras aufgenommenen Bilder.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine adaptive Beleuchtungseinrichtung der o.g. Art zu schaffen, welche auch mit nur einer einzigen Lichtquelle eine selektive, möglichst fein unterteilbare Ausleuchtung einer Szene ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildete Beleuchtungseinrichtung gelöst.

Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung verwendet hierzu ein matrixförmig aufgebautes optisches Element mit selektiv ansteuerbarer Reflexion und/oder Absorption und/oder Streuung im parallelen Strahlengang des Kondensors. Ein solches optisches Element weist vorteilhafterweise einen Polymerfilm mit Flüssigkristalltröpfchen auf, welcher als sog. PDLC-Film bekannt ist. Solche Filme sind im Normalzustand opak und werden erst bei elektrischer Ansteuerung transparent. Dies hat gegenüber anderen elektrisch ansteuerbaren optischen Elementen, deren Reflexion, Absorption oder Streuung veränderbar ist, den Vorteil, daß, unabhängig vom Schaltzustand des optischen Elementes, nur ein geringer Teil des Lichtes im optischen Element selbst in Wärme umgewandelt wird; vielmehr wird zur Reduzierung der Helligkeit ein entsprechender Teil des Lichtes aus dem Strahlengang herausgestreut und kann damit auf andere, thermisch weniger empfindliche und besser kühlbare Teile der Beleuchtungseinrichtung gelenkt werden. Durch die matrixförmige Aufteilung läßt sich das Beleuchtungsmuster auch mit nur einer einzigen Lichtquelle sehr viel feiner strukturieren als mit den bekannten Einrichtungen. Die hohe Reaktionsgeschwindigkeit von elektrisch ansteuerbaren optischen Elementen mit selektiver Reflexion, Absorption oder Streuung ermöglicht auch eine gleichmäßige, reflexionsfreie Ausleuchtung einer sich schnell verändernden Szene.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn jedem Beleuchtungsfeld je ein Meßkanal zur Erfassung von rückgestreuter Strahlung aus der Szene zugeordnet ist, welcher dann die Steuersignale für ein oder mehrere Matrixfelder des optischen Elementes erzeugt. Es können jedoch auch mehrere Beleuchtungsfelder je einem Meßkanal zur Erfassung der rückgestreuten Strahlung zugeordnet sein.

Die oben erwähnte adaptive Beleuchtung läßt sich für schnell bewegte Szenen dann einsetzen, wenn die Matrixfelder des optischen Elementes mittels der Bildsignale eines dem Sichtfeld räumlich fest zugeordneten Bildaufnehmers, z. B. einer CCD-Kamera, steuerbar sind. Mittels an sich bekannter Steuer- und Regelverfahren läßt sich dann quasi in Echtzeit eine optimale Helligkeitsverteilung, eine Kontrastoptimierung und die Unterdrückung von Reflexionen erzielen.

Für die Lichtführung können dann die bekannten Kondensorsysteme in Verbindung mit geordneten oder ungerichteten Faserbündeln zur Anwendung kommen. Die Verwendung der letztgenannten ungerichteten Faserbündel wird vor allem dadurch möglich, weil die Zuordnung zwischen der ein Beleuchtungsfeld beeinflussenden Faser zur jeweiligen, die eingekoppelte Helligkeit beeinflussenden Matrix des optischen Elementes elektrisch bzw. softwaremäßig realisierbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine adaptive Beleuchtungseinrichtung für endoskopische Zwecke mit einem matrixförmig aufgebauten optischen Element in einem Kondensorlinsensystem,

Fig. 2 eine adaptive Beleuchtungseinrichtung für endoskopische Zwecke unter Verwendung von Faserkegeln zur Ausleuchtung eines matrixförmig aufgebauten optischen Elementes und

Fig. 3 eine adaptive Beleuchtungseinrichtung unter Verwendung eines ungeordneten Faserbündels.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Strahlung einer Lichtquelle über ein ungeordnetes Faserbündel 1 einem zweilinsigen Kondensorsystem zugeführt, dessen erste Linse 2 zur Erzeugung eines parallelen Strahlenganges und zur Ausleuchtung eines matrixförmig aufgebauten optischen Elementes 3 mit selektiv ansteuerbarer Streuung dient. Dieses optische Element 3 weist einen PDLC-Film auf, der im wesentlichen aus einer transparenten polymeren Matrix besteht, in welcher kleinste Flüssigkristalltröpfchen dispergiert sind. Der Film ist beidseitig mit transparenten elektrisch leitenden Beschichtungen (ITO-Schichten) versehen, welche je nach dem gewünschten Beleuchtungsmuster in quadratische, hexagonale oder andere flächendeckende Muster unterteilt und elektrisch kontaktiert ist. An die einzelnen, separierten Flächen der Kontaktschicht, kann eine Spannung zwischen 20 und 80V angelegt werden, die den jeweils angesteuerten Bereich des optischen Elementes 3 mehr oder weniger transparent schaltet. Das von der Kondensorlinse 2 ausgehende, im wesentlichen parallel gerichtete Licht kann dann durch dieses transparente Flächensegment ungehindert durchtreten und wird von einer zweiten Kondensorlinse 4 in ein geordnetes Faserbündel 5 eingekoppelt. Dieses Faserbündel 5 dient zur Weiterleitung des Lichtes in einem nicht dargestellten Endoskop, wobei aufgrund der Ordnung der Fasern das auf der eintrittsseitigen Stirnfläche erzeugte Beleuchtungsmuster erhalten bleibt und über eine Projektionsoptik 6 am austrittsseitigen Ende des Faserbündels 5 auf einer Szene 7 abgebildet wird. Als Projektionsoptik 6 eignet sich vorteilhafterweise eine Kugellinse, auf deren Oberfläche das aus dem Faserbündel 5 austretende Licht möglichst senkrecht auftritt.

Die Ansteuerung des optischen Elementes 3 erfolgt durch eine Steuerelektronik 8, welche die Videosignale einer Videokamera 9 verarbeitet, die ihrerseits das Bild der Szene 7 über eine endoskopische Optik 10, z. B. ebenfalls ein geordnetes Faserbündel, erhält. Die Steuereinrichtung 8 verarbeitet nach bekannten Algorithmen Videosignale, die z. B. extrem hohe Helligkeitswerte repräsentieren zu entsprechenden Steuersignalen für das korrespondierende Matrixfeld des optischen Elementes 3 derart, daß dort eine entsprechende Verminderung der Transparenz und damit letztlich auch eine Verminderung der Beleuchtungsstärke in dem dem Matrixfeld zugeordneten Feld der Szene 7 erreicht wird, in dem der Extremwert der Helligkeit auftrat. Durch Vergleich von benachbarten Bildpunkten und entsprechende Ansteuerung des optischen Elementes 3 kann auch eine Kontrastoptimierung erzielt werden. Die derart adaptiv ausgeleuchtete Szene 7 kann dann auf einem Monitor 11 betrachtet werden.

Bei dem in Fig. 2 dargestellen Ausführungsbeispiel wird, wie in Fig. 1, das Licht einer Lichtquelle über ein ungeordnetes Faserbündel 21 mittels eines Faserkegels 22 (taper) aufgeweitet, wobei die breitere Stirnfläche des Faserkegels unmittelbar mit einem optischen Element 23 gemäß Fig. 1 verbunden ist. Auf der gegenüberliegenden Seite ist das optische Element 23 mit der breiten Stirnfläche eines zweiten Faserkegels 24 verbunden, welcher das Beleuchtungsmuster des optischen Elementes 23 weiterleitet und in ein geordnetes Faserbündel 25 einkoppelt und über eine Projektionsoptik 26 abstrahlt. Auf diese Weise bleibt das durch das optische Element 23 erzeugte Beleuchtungsmuster erhalten und kann somit wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 die Szene 27 adaptiv ausleuchten.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellten endoskopischen Anwendungen sind vielfach variierbar. So kann beispielsweise die Lichtquelle unmittelbar vor der Kondensorlinse 2 bzw. dem Faserkegel 22 angeordnet sein. Auch kann an Stelle des geordneten Faserbündels 5 bzw. 25 ein Gradientenlinsenstab verwendet werden.

Bei größerem Abstand zwischen der Projektionsoptik der Beleuchtungseinrichtung und der Endoskopoptik kann die optische Achse der Beleuchtungseinrichtung einen bestimmten Winkel zur Blickrichtung des Endoskopes (Kamera 9 mit endoskopischer Optik 10) einnehmen.

Falls die zu beleuchtende Szene weniger beengt ist als bei den in den Fig. 1 und 2 beschriebenen endoskopischen Anwendungsfällen, so kann gemäß Fig. 3 das über ein ungeordnetes Faserbündel 31 zugeführte Licht nach Aufweitung in einem Taper 32 und lokaler Dämpfung in einem matrixförmig ansteuerbaren optischen Element 33 direkt über eine Projektionsoptik 36 auf die zu beleuchtende Szene 37 abgebildet werden.

Anstelle des oben beschriebenen optischen Elementes mit steuerbarer Streuung kann auch eine herkömmliche Flüssigkristallmatrix unter Verwendung von polarisiertem Licht zur Anwendung kommen. Aus optischen oder konstruktiven Gründen kann auch das optische Element 3 mit einer Spiegelschicht hinter den Matrixfeldern angeordnet sein und somit beispielsweise eine rechtwinklige Strahlführung ermöglichen.

Ein optisches Element mit selektiv ansteuerbarer Reflexion läßt sich auch durch ein Matrixfeld aus in ihrer Ebene jeweils schwenkbarer kleiner Spiegel realisieren.

Claims

1. Adaptive Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer Lichtquelle, deren Strahlung mittels eines Kondensors (2, 4; 22, 24; 32) und einer Projektionsoptik (6, 26, 36) über eine Vielzahl von Beleuchtungskanälen (5, 25, 35) auf ein Sichtfeld (7, 27, 37) gerichtet wird, wobei je einem oder mehreren Beleuchtungskanälen je ein Beleuchtungsfeld innerhalb des Sichtfeldes zugeordnet ist und wobei die Gesamtheit der Beleuchtungsfelder das Sichtfeld lückenlos ausfüllt, dadurch gekennzeichnet, daß im gerichteten Strahlengang des Kondensors ein matrixförmig aufgebautes, optisches Element (3, 23, 33) mit selektiv ansteuerbarer Reflexion und/oder Absorption und/oder Streuung angeordnet ist und, daß je einem oder mehreren Beleuchtungskanälen je ein Matrixfeld des optischen Elementes zugeordnet ist.

2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem Teil der Beleuchtungsfelder je ein Meßkanal zur Erfassung rückgestreuter Strahlung zugeordnet ist, welcher Steuersignale für ein oder mehrere Matrixfelder des optischen Elementes (3, 23, 33) erzeugt.

3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixfelder des optischen Elementes (3, 23, 33) mittels der Bildsignale eines dem Sichtfeld räumlich fest zugeordneten Bildaufnehmers (9, 10) steuerbar sind.

4. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (3, 23, 33) einen Polymerfilm mit Flüssigkristalltröpfchen (PDLC-Film) aufweist.

5. Adaptive Beleuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Endoskop, gekennzeichnet durch, in Strahlrichtung gesehen, folgende Elemente:
eine Lichtquelle,
eine erste Kondensorlinse (2) oder ein erster Faserkegel (taper 22),
ein matrixförmig aufgebautes optisches Element (3, 23, 33) mit selektiv aussteuerbarer Reflexion und/oder Absorption und/oder Streuung,
eine zweite Kondensorlinse (4) oder ein zweiter Faserkegel (taper 24),
ein geordnetes optisches Faserbündel (5) oder eine Gradientenstablinse und eine Projektionsoptik (6, 26, 36).

6. Adaptive Beleuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Endoskop, gekennzeichnet durch, in Strahlrichtung gesehen, folgende Elemente:
eine Lichtquelle
ein ungerichtetes Faserbündel (31)
ein matrixförmig aufgebautes optisches Element (33) mit selektiv ansteuerbarer Reflexion und/oder Streuung und
eine Projektionsoptik (36).

7. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsoptik eine Kugeloptik (6) ist.

8. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbündel (5, 25) am distalen Ende in die Blickrichtung des Endoskopes ausgerichtet ist.