DE10339618A1

DE10339618A1 - Leuchtdioden-Beleuchtung für ein optisches Beobachtungsgerät, insbesondere ein Stereo- oder ein Stereooperationsmikroskop

Info

Publication number: DE10339618A1
Application number: DE10339618A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Sander
Original assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Current assignee: Leica Instruments Singapore Pte Ltd
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2005-03-24
Also published as: DE502004003866D1; EP1528421A1; EP1528421B1; JP4750389B2; US20050047172A1; US7229202B2; JP2005078083A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für ein optisches Beobachtungsgerät (10), insbesondere ein Stereomikroskop oder ein Stereooperationsmikroskop. Ein Lichtleiter mit Weiche (2) vermischt von Leuchtdioden (1a-c) emittiertes Farblicht weißem Mischlicht (15).

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für ein optisches Beobachtungsgerät, insbesondere ein Stereomikroskop oder ein Stereooperationsmikroskop.
Farblicht emittierende Leuchtdioden (engl.: LED = Light Emitting Diode) sind inzwischen so leuchtstark, dass sie z.B. für Verkehrssignalanlagen und in Rücklichtern von Fahrzeugen eingesetzt werden.
Für eine Mikroskopbeleuchtung ist vor allem weißes Licht erwünscht. Es gibt bereits weißes Licht emittierende Leuchtdioden. Diese sind jedoch für diese Anwendung nicht hell genug. Eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Leuchtdioden, die rotes, grünes und blaues Licht emittieren, können verwendet werden, um weißes Licht zu erzeugen.

In der DE 37 34 691 C2 wird eine Lösung vorgestellt, mit Hilfe einer solchen Rot-Grün-Blau-Anordnung von vielen kleinen LEDs verschiedene Beleuchtungsarten und eine Intensitätsregelung zu ermöglichen. Durch selektives örtliches Ansteuern der einzelnen LEDs kann eine Hellfeld-, eine Dunkelfeld- oder eine Schräglicht-Beleuchtung erzeugt werden. Die Intensität der gesamten Beleuchtung kann hierbei dadurch geregelt werden, dass entweder alle oder weniger LEDs in Betrieb sind, oder wiederum nur diejenigen LEDs, die eine bestimmte Konfiguration ergeben. Die einzelnen LEDs sind jedoch nicht für sich gesehen steuerbar, sie sind nur ein- und ausschaltbar.

Um eine gleichmäßig homogene Ausleuchtung der Beleuchtungsapertur zu erreichen, muss im unmittelbaren Bereich der LED-Lichtquelle eine Mattscheibe eingebracht werden.

Eine weitere Ausführung gemäß diesem Stand der Technik sieht vor, dass mit einer roten, grünen und blauen LED-Flächenlichtquelle und einem System von dichroitischen Teilern weißes Licht erzeugt werden kann. Diese Beleuchtungsvorrichtung bietet eine hohe Lichtintensität, ist jedoch relativ voluminös. Aufgrund der großen optischen Wege muss das Licht durch zusätzliche Linsen gebündelt werden. Ein weiterer Nachteil ist die hohe Justiergenauigkeit der dichroitischen Spiegel, um eine gute und konstante Farbgenauigkeit zu gewährleisten.

Die Nachteile von Wolfram-Lampen, Halogenlampen usw., wie sie bisher für Mikroskope verwendet werden, sind vor allem hohe Wärmeverlustleistung, hoher Leistungsbedarf sowie eine geringe Lebensdauer, geringe Robustheit, hoher Raumbedarf und ein hohes Gewicht (vgl. DE 37 34 691 C2 , Spalte 1, Zeilen 7–12).

In der DE 19 13 711 A wird eine Lösung für eine gleichmäßige Lichtverteilung und Intensitätsregelung einer einzigen herkömmlichen Lichtquelle (Planck'scher Strahler) mittels Faserbündel vorgestellt. Hierzu wird der herkömmlichen Lichtquelle mit Blende ein Faserbündel mit einer einzigen Eintritts- und Austrittsfläche nachgeschaltet. Bezüglich der Ein- und Austrittsfläche besteht keine örtliche Zuordnung der Fasern.

Dieses bietet den Vorteil, dass die inhomogene Intensitätsverteilung des Lichtquellen-Bildes am Faserende homogenisiert und mit Hilfe der Blende am Fasereingang eine kontinuierliche Intensitätsregelung am Faserende erzeugt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt nicht in erster Linie das Bedürfnis nach einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung zugrunde, sondern die Zusammenführung und damit verbundene Intensitätssteigerung des Lichtes aus verschiedenen Lichtquellen, ohne erhöhten Platzbedarf und ohne die erwähnten Nachteile herkömmlicher Lichtquellen.

Derzeitiger Stand der Technik ist, dass eine Farblicht emittierende LED eine höhere Leuchtdichte als eine weißes Licht emittierende LED besitzt. Durch die Zusammenführung des Lichtes dreier Farb-LEDs ist der Leuchtdichten-Unterschied zu einer einzelnen weißes Licht emittierenden LED um so größer.

So wird erfindungsgemäß wenigstens je eine rotes, eine grünes und eine blaues Licht emittierende Leuchtdiode räumlich nebeneinander angeordnet. Das austretende Licht wird jeweils in ein mehrarmiges Lichtleiter-Faserbündel eingespeist, wobei jeder Lichtleiterarm von einer Farblicht emittierenden Leuchtdiode beleuchtet wird. Die Lichtleiterarme werden zu einem gemeinsamen Lichtleiter zusammengeführt und die einzelnen Lichtfasern bestmöglich vermischt. Es ergibt sich daraus eine Lichtweiche. Zur effektiven Lichtausnutzung ist es bevorzugt, anstelle von normalen Lichtleitern solche mit heiß verschmolzenen Enden zu benutzen.

Mit Hilfe dieser faseroptischen Bauteile können die Leuchtdioden nun auch fernab vom Mikroskop angeordnet werden. Das bringt den Vorteil, dass der Mikroskopkörper klein und leicht ausgeführt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist das Entfallen der Notwendigkeit, im unmittelbaren Bereich der Optik eine Mattscheibe als Diffusor vorzuschalten, weil die streuende Wirkung der Mattscheibe durch die Lichtleiterfasern übernommen wird.

Das Farblicht tritt auf der mikroskopnahen Seite gemischt aus und ist in Summe als weißes Licht verwendbar und zudem sehr viel heller als derzeitig verfügbares LED-Licht aus weißes Licht emittierenden Leuchtdioden.

Das weiße Mischlicht muss jedoch nicht zwingend aus rotem, grünem und blauem LED-Licht zusammengesetzt sein, dieses kann auch mit Hilfe von gelben und blauen LED-Licht geschehen.

Es ist ein heute übliches Verfahren, weißes Licht aus rotem, blauem und grünem Licht zu mischen; die Erfindung soll jedoch ausdrücklich nicht auf dieses Verfahren eingeschränkt sein. So ist es z.B. auch möglich, weißes Licht aus blauem und gelbem Licht zusammen zusetzen, vgl. hierzu Siemens Magazin, Forschung & Innovation/Leuchtdioden, New World 4/2000, Seite 39.

Die Lichtweiche kann auch aus einem Lichtleitstabsystem bestehen. Bei entsprechender Kürze der Lichtleitstäbe bringt dieses den Vorteil einer kompakten Bauweise.

Die Anpassung der numerischen Apertur kann über einen Querschnittswandler mit unterschiedlichen Eintritts- und Austrittsflächen erzeugt werden.

Weiterhin kann das Spektrum des Beleuchtungslichts durch elektrische Helligkeitsregelung der einzelnen Leuchtdioden frei gewählt werden, es sind keine Filter notwendig. Beispielsweise könnte für die Erzeugung eines regredienten Lichts (Red Reflex) in der Ophthalmologie zeitweise nur die rotes Licht emittierende Leuchtdiode verwendet werden, oder nur die grünes Licht emittierende Leuchtdiode zur Rotfrei-Beobachtung. Blue Light Hazard kann durch Reduktion der Emission der blaues Licht emittierenden Leuchtdiode reduziert werden.

Des Weiteren können durch eine derartige Falschfarben-Beleuchtung gewebespezifische Veränderungen selektiv dargestellt werden. Auch bessere Kontrastierungen können dadurch erreicht werden. Dieses geschieht zu Diagnosezwecken, aber auch um eine möglichst gewebeschonende Beleuchtung zu gewährleisten.

Weiterhin besteht mit dieser spektral selektiven Beleuchtung die Möglichkeit, nur dasjenige Licht anzubieten, das zum notwendigen Bildaufbau des Mikroskops beiträgt bzw. der spektralen Empfindlichkeit des Beobachterauges entspricht. Sind die Leuchtdioden elektrisch nicht farbänderungsfrei regelbar, könnten ihnen wahlweise regelbare Filter nachgeschaltet sein, die den jeweiligen Farbanteil nach Bedarf dämpfen.

Gemäß einer Weiterentwicklung kann auch ein weiteres Faserbündel zu Rückkopplungszwecken vorgesehen sein. Dieses Faserbündel nimmt am distalen – also an dem der Lichtquelle entgegengesetzten Ende befindlichen – Faserbündelende das vom Objekt reflektierte Licht auf und leitet es auf einen Sensor, der die Lichtfarbe und die Helligkeit detektiert. Somit können diese Informationen der Auswertung zur Verfügung gestellt oder zu Regelungszwecken eingesetzt werden. Zum Beispiel können durch einen Rechner beliebige Spektren vorgewählt werden. Diese werden dann mit den gemessenen verglichen. Abweichungen davon werden durch diskrete Ansteuerung und Regelung der jeweiligen Farb-LEDs ausgeglichen. Damit ist man in der Lage, beliebige Beleuchtungsspektren – abweichend vom Planck'schen Strahlungsspektrum – zu erzeugen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung ist es vorgesehen, Falschfarbenbilder mit Hilfe einer Kamera aufzunehmen und in dem Rechner abzuspeichern. Diese können zu einem späteren Zeitpunkt nach Belieben zu dem gerade aktiven Bild mit Hilfe eines Displays sowohl in einen oder in beide Stereomikroskop-Strahlengänge eingespiegelt bzw. überlagert werden.

Im Übrigen wird auf eine gleichzeitig eingereichte Anmeldung der Anmelderin hingewiesen, in der eine oder mehrere, weißes Licht emittierende LEDs in das Operationsmikroskop bzw. in die Beleuchtungsoptik des Mikroskops integriert sind. Die Lehren der beiden Anmeldungen sollen kombinierbar sein.

Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Figuren und in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die Bezugszeichenliste ist Bestandteil der Offenbarung.

Anhand der Figuren wird die Erfindung symbolisch und beispielhaft näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile, Bezugszeichen mit unterschiedlichen Indices geben funktionsgleiche oder ähnliche Bauteile an.
Es zeigen dabei in schematischer Darstellung:
1: eine Anordnung von drei LED-Flächenlichtquellen, die rotes, grünes und blaues Licht mit Hilfe von dichroitischen Spiegeln zu weißem Mischlicht gemäß Stand der Technik vereint;
2: eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung für ein optisches Beobachtungsgerät, z.B. ein Mikroskop, mit drei LEDs, die rotes, grünes und blaues LED-Licht mit Hilfe eines Lichtleiters mit Weiche zu weißem Mischlicht vermengt;
3: eine Anordnung gemäß 2, die mit einer gelbes Licht und einer blaues Licht emittierenden LED und einem entsprechenden Lichtleiter mit Weiche auskommt;
4: die Anordnung aus 2, mit einem zusätzlichen Lichtleiterarm, einem Messsensor und einer Signalverarbeitungseinheit und
5: die Anordnung einer komplexen, erfindungsgemäßen LED-Beleuchtungsvorrichtung mit einem Rechner sowie die Einspiegelungsmöglichkeit in die Beobachtungsstrahlengänge des optischen Beobachtungsgeräts mittels eines Displays.
In 1 wird in bekannter Weise das Licht einer roten, grünen und blauen LED-Flächenlichtquelle mit Hilfe von dichroitischen Teilern zu weißem Licht vermischt.
Die in 2 dargestellte Beleuchtungsvorrichtung umfasst wenigstens je eine rotes Licht emittierende Leuchtdiode 1a, eine grünes Licht emittierende Leuchtdiode 1b und eine blaues Licht emittierende Leuchtdiode 1c die jeweils rotes 11a, grünes 11b und blaues Licht 11c emittieren. Diese Rot-Grün-Blau-Anordnung bildet die LED-Anordnung 1. Jeder der Leuchtdioden 1a, 1b, 1c ist jeweils ein Eingang von insgesamt drei Lichtleiterarmen 2a, 2b, 2c zugeordnet. Die drei Lichtleiterarme 2a, 2b, 2c vereinigen sich und bilden somit einen Lichtleiter mit Weiche 2, der einen einzigen Ausgang aufweist. Hier dringt weißes Mischlicht 15 durch eine Beleuchtungsoptik 3 auf einen Spiegel 4, von dem es durch ein Hauptobjektiv 5 eines optischen Beobachtungsgeräts 10 gelenkt wird. Der Betrachter 7 sieht dann durch den Beobachtungsstrahlengang 20a das beleuchtete Objekt 6.
3 zeigt prinzipiell die gleiche Anordnung wie in 2, allerdings wird hier das weiße Beleuchtungslicht 15 aus zwei Leuchtdioden 1d, die beispielsweise gelbes Licht emittiert, und 1e, die beispielsweise blaues Licht emittiert, zusammen gesetzt. Hierfür ist kein dreiarmiger Lichtleiter mit Weiche 2 mehr nötig; es genügt vielmehr ein zweiarmiger.
In 4 ist dargestellt, dass ein zusätzlicher Lichtleiterarm 2d vom Objekt 6 reflektiertes und durch ihn transportiertes Objekt-Licht 11d über eine Optik 9 einem Messsensor 8 zuführt. Der Messsensor 8 seinerseits gibt seine Messdaten an eine Signalverarbeitungseinheit 12 weiter. Letztere steuert in einem frei vorwählbaren oder automatischen Regelungsprozess bezüglich eines gewünschten Spektrums die Leuchtdioden 1a, 1b, 1c oder/und auch korrespondierende Filter 14a, 14b, 14c.
5 zeigt die Anordnung aus 4, die durch einen Rechner 13 und eine Kamera 16 ergänzt ist. Die Kamera 16 entnimmt aus dem linken Beobachtungsstrahlengang 20a des stereoskopischen optischen Beobachtungsgeräts 10 mit Hilfe eines Umlenkelements 18a ein Bild, das sie dem Rechner 13 zuführt. Der Rechner 13 kann aus seiner Speichereinheit gespeicherte Daten oder Bilder – gegebenenfalls in Falschfarben-Darstellung – abrufen. Diese Daten und/oder Bilder vom Rechner 13 werden über ein Display 17 und ein Umlenkelement 18b in den rechten Beobachtungsstrahlengang 20b bzw. ins rechte Okular 19b eingespiegelt. Prinzipiell ist eine stereoskopische Einspiegelung auch in beide Beobachtungsstrahlengänge 20a, 20b möglich.

1, 1': LED-Anordnung
1a: rotes Licht emittierende Leuchtdiode
1b: grünes Licht emittierende Leuchtdiode
1c: blaues Licht emittierende Leuchtdiode
1d: gelbes Licht emittierende Leuchtdiode
1e: blaues Licht emittierende Leuchtdiode
2: Lichtleiter mit Weiche
2a–d: Lichtleiterarm
3: Beleuchtungsoptik
4: Spiegel
5: Hauptobjektiv
6: Objekt
7: Betrachterauge
8: Messsensor
9: Optik
10: optisches Beobachtungsgerät
11a: rotes Licht
11b: grünes Licht
11c: blaues Licht
11d: Objekt-Licht
12: Signalverarbeitungseinheit
13: Rechner
14a–c: Filter
15: weißes Mischlicht
16: Kamera
17: Display
18a, b: Umlenkelemente
19a: linkes Okular
19b: rechtes Okular
20a, b: Beobachtungsstrahlengang

Claims

Beleuchtungsvorrichtung für ein optisches Beobachtungsgerät (10), insbesondere ein Stereomikroskop oder ein Stereooperationsmikroskop mit einer LED-Anordnung (1), mit entweder wenigstens einer, rotes Licht emittierenden Leuchtdiode (1a), wenigstens einer, grünes Licht emittierenden Leuchtdiode (1b) und wenigstens einer, blaues Licht emittierenden Leuchtdiode (1c), oder mit wenigstens einer, gelbes Licht emittierenden Leuchtdiode (1d) und wenigstens einer, blaues Licht emittierenden Leuchtdiode (1e), dadurch gekennzeichnet, dass den Leuchtdioden (1a–1e) ein mehrarmiger Lichtleiter mit Weiche (2) nachgeschaltet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leuchtdiode (1a, 1b, 1c bzw. 1d, 1e) ein Licht aufnehmendes Ende eines Lichtleiterarms (2a, 2b, 2c) zugeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterarme (2a, 2b, 2c) zu einem einzigen Lichtleiter (2) zusammengeführt und deren einzelne Lichtfasern mit den jeweils anderen Lichtfasern der anderen Lichtleiterarme (2c, 2b, 2a) vermischt sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden (1a, 1b, 1c bzw. 1d, 1e) bzw. die LED-Anordnungen (1 bzw. 1') an einem Ort außerhalb des optischen Beobachtungsgeräts (10) anordenbar bzw. angeordnet sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter mit Weiche (2) flexibel ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter mit Weiche (2) eingangs- und ausgangsseitig ein heiß verschmolzenes Ende aufweist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeder Leuchtdiode (1a, 1b, 1c bzw. 1d, 1e) und dem ihr zugeordneten Lichtleiterarm (2a, 2b, 2c) je ein – vorzugsweise regelbarer – Filter (14a, 14b, 14c) angeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter mit Weiche (2) aus einem Lichtleitstabsystem besteht.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter mit Weiche (2) zur Anpassung der numerischen Apertur als Querschnittswandler ausgelegt ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden durch andere Halbleiterlichtquellen, beispielsweise Laser-Dioden, ersetzt sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zusätzlicher Lichtleiterarm (2d) vorgesehen ist, der vom distalen Weichenende Licht auf einen proximalen Messsensor (8) leitet.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität und spektrale Zusammensetzung des Lichtes der einzelnen Leuchtdioden (1a, 1b, 1c bzw. 1d, 1e) durch eine Signalverarbeitungseinheit (12) steuerbar ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem optischen Beobachtungsgerät (10) eine Kamera (16) zugeordnet ist, die vorzugsweise mit einem Rechner (13) gekoppelt ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem optischen Beobachtungsgerät (10) ein Display (17) zugeordnet ist, das vorzugsweise mit der Kamera (16) und/oder mit dem Rechner (13) gekoppelt ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem optischen Beobachtungsgerät (10) eine Speichereinheit im Rechner (13) zugeordnet ist, aus der gespeicherte Daten und Bilder als Falschfarbenbilder abrufbar und in mindestens einen Beobachtungsstrahlengang (20b) des optischen Beobachtungsgeräts (10) einspiegelbar sind.
Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung von weißem Beleuchtungslicht für das optische Beobachtungsgerät (10).