Lichtstrahlkombinier- Vorrichtung und deren Verwendung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen von Lichtstrahlen unterschiedlicher Farbe, eine Lichtstrahlkombinier- Vorrichtung sowie deren Verwendung.

Hintergrund der Erfindung

Mittels Farbaddition ist es möglich, Licht mit nahezu jeder Farbe zu erzeugen. Ob LC-Dis- plays mit RGB-Farbpixeln oder Lumineszenzkonversion, in allen Fällen wird mittels Mischen einzelner Primärfarben ein überlagerter Eindruck erzeugt. Hierbei besteht sowohl das Bestreben, eine möglichst authentische Farbwiedergabe zu erreichen, als auch eine gewünschte Farbtemperatur einzustellen. Zu diesem Zweck ist es nötig, die drei Grundfarben, nämlich rot, grün und blau, unabhängig voneinander regulieren zu können. Während Temperaturstrahler wie beispielsweise Glühlampen ihre Farbtemperatur ändern können (unter Inkaufnahme der Variation der Intensität), sind Lumineszenzstrahler aufgrund fester Energiebandabstände in der Frequenz meist fixiert. Temperaturstrahler emittieren nur wenige Prozent nutzbares Licht im sichtbaren Bereich. Der überwiegende Anteil ist infrarote Strahlung, die für die Anwendung nicht nur ungeeignet ist, sondern häufig auch schädlich ist und mit Aufwand und weite- rem Energiebedarf abgeführt oder bei Absorption durch Kühlung verringert werden muss.

Lichtquellen mit diskreten Spektren, also LEDs oder Laser, emittieren nur im gewünschten Wellenlängenbereich, so dass sie sich sehr viel effizienter für die Farbaddition einsetzen lassen. Halbleiterlichtquellen besitzen inzwischen höchste Wirkungsgrade und zeichnen sich zudem durch eine vergleichsweise kompakte Bauform aus. Außerdem wandeln Halbleiterlaser anders als Gas- oder Festkörperlaser die zugeführte Energie direkt in elektromagnetische Strahlung um.

Weißlichtquellen, die aus Temperaturstrahlern bestehen, erfordern auch einen deutlich größe- ren konstruktiven Aufwand und Bauraum, um adäquate Kühl- und Filterelemente unterzubringen. Das führt beim Einsatz in der Medizintechnik dazu, dass derartige Lichtquellen in klinischen OP-Räumen als stationäre Apparate mit zusätzlichen Versorgungsleitungen neben dem Operationstisch stehen und dass die Lichtleitung geführt werden muss, zum Beispiel zu einem Endoskop. Neben dem Zustellen von wichtigem Raum im Arbeitsbereich des Operateurs stellt das Lichtleitkabel aber eine erhöhte Haltebelastung des Endoskops für den Assistenten dar und schränkt seine Beweglichkeit und die des Instruments ein. Es besteht deshalb Bedarf für eine raumsparende und effiziente Lichtquelle, insbesondere für eine direkte Anordnung im Endoskop. Die proximale Platzierung einer Lichtquelle im Handgriff erlaubt die Verwendung sowohl für starre als auch für flexible Endoskope, da in beiden Fällen das Licht mittels Lichtleitfasern zur Spitze transportiert wird. Da im Instrument die Kühlmöglichkeiten beschränkt sind, ist eine solche Lösung nur mit effizienten Lichtquellen realisierbar. Die proximale Platzierung lässt hierbei mehr Freiraum zur optimalen Anpassung des Spektrums und erlaubt höhere Grenzwerte der maximal zulässigen Temperatur. Da allerdings geeignete Werkstoffe und Elemente von Lumineszenzstrahlern nur ganz bestimmte diskrete Wellenlängen emittieren, ist die Kombinationsmöglichkeit von verfügbaren Lichtquellen beschränkt. Insbesondere bei der Beleuchtung organischer Oberflächen im Bauchraum kommt es beim Einsatz bekannter Kalt- und LED-Lichtquellen zu einer verfälschten Farbwiedergabe der betrachteten Areale, was vom Anwender als nicht hinnehmbar angesehen wird.

Ein konstruktives Hindernis ist häufig die räumlich getrennte Platzierung und Ausrichtung der Lichtquellen, da deren emittierte Lichtleistung meist zu bündeln und gleichzurichten ist. Strahlkombinierer oder -mischer sind dafür erhältlich, weisen allerdings meist den Nachteil auf, dass sie polarisierend wirken und nur eine der beiden Polarisationsrichtungen des Lichts wie gewünscht übertragen. Hierdurch sinkt deren Wirkungsgrad auf 50 % ab. Hinzu kommt, dass der ungenutzte Strahlanteil entweder als Wärme abgeführt werden muss oder gar als un- gewollte Nebenstrahlung schädlich für die Mischvorrichtung ist. Daher sind die meisten Strahlkombinierer nur mit polarisiertem Licht verwendbar, was beispielsweise in den Dokumenten WO 85/01590 oder US 5,067,799 dargestellt ist.

In den Dokumenten WO 85/01590, US 5,067,799, WO 01/02884, US 2006/033837 und WO 2008/095609 ist die Nutzung von Verzögerungsplatten bei der Lichtstrahlausbreitung beschrieben. Eine Möglichkeit, die Polarisationsrichtung von Licht zu wandeln, ist die Nutzung sogenannter Verzögerungsplatten, λ/2 -Halbwellen-Verzögerungsplatten drehen die lineare Polarisationsrichtung von Licht um einen einstellbaren Winkel. λ/4-Viertelwellen- Verzögerungsplatten wandeln linear polarisiertes in zirkulär polarisiertes Licht und umgekehrt. Der wesentliche Vorteil der hier vorliegenden Erfindung liegt darin, beide linear polarisierten Anteile nutzen zu können. Um die Polarisationsrichtung von reflektierter Strahlung zu wandeln, wird auf die Eigenschaften von optischen Isolatoren zurückgegriffen. Linear polarisiertes Licht wird beim Durchlauf einer λ/4-Platte beispielsweise rechtsdrehend zirkulär polarisiert. Bei Reflexion an einem dahinter liegenden Spiegel wird daraus linksdrehende Polarisation. Nach einem weiteren Durchlauf der λ/4-Platte entsteht wieder linear polarisiertes Licht, dessen Feldvektor nun senkrecht zum ursprünglich einfallenden Licht steht. Diese Anordnung hat demnach den gleichen Effekt wie eine λ/2-Platte. Allerdings ist die Phasendrehung Δφ rezip-

2 ^■ %

rok von der Wellenlänge λ des transmittierten Lichts abhängig: Αφ = d · Δη .

λ

Daher sind normale Verzögerungsplatten nur für eine bestimmte Wellenlänge geeignet. Darstellungen wie in US 5,067,799, wo zwei unterschiedliche Wellenlängen die gleiche Pha- sendrehung erfahren sollen, sind irreführend.

Das Dokument US 2011/0007392 offenbart einen Lichtkombinierer zum Mischen von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen mittels eines polarisierenden Strahlteilers. Der Strahlteiler weist eine Reflektoreinrichtung und eine Viertelwellen- Verzögerungsplatte auf. Unpolari- siertes Licht aus LED Lichtquellen (LED - light emitting diode) tritt hierbei in den Strahlteiler ein, wird gemischt und tritt als Mischlicht wieder aus. Ähnliche Vorrichtungen werden in den Dokumenten WO 2010/059453 A2 und US 2011/0149547 AI beschrieben.

Ein Beleuchtungssystem mit mehreren LEDs ist in dem Dokument US 2009/0040754 AI of- fenbart.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Technologien zum Mischen oder zum Mischlicht bildenden Kombinieren von Lichtstrahlen unterschiedlicher Farbe anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Mischen von Lichtstrahlen unterschiedlicher Farben nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie eine Lichtstrahlkombinier- Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 10 gelöst. Weiterhin ist ein medizinisches Instrument gemäß Anspruch 12 geschaffen. Schließlich ist nach dem unabhängigen Anspruch 13 die Verwendung der Lichtstrahlkombinier- Vorrichtung zum spektralen Lichtzerlegen vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.

Es ist ein Verfahren zum Mischen von Lichtstrahlen unterschiedlicher Farben mittels einer Lichtstrahlkombinier- Vorrichtung vorgesehen. Bei dem Verfahren werden Lichtstrahlen unterschiedlicher zu mischender Farben mit zugeordneten Lichtquellen erzeugt und als zirkulär polarisierte Lichtstrahlen über zugeordnete Lichtemtrittsflächen in einem polarisierenden Strahlteiler der Strahlkombiniervorrichtung eingestrahlt. Die Lichtstrahlen unterschiedlicher Farben werden in dem polarisierenden Strahlteiler jeweils in einen Teilstrahl mit einer ersten Linearpolarisation und einen Teilstrahl mit einer zweiten Linearpolarisation, die senkrecht zur ersten Linearpolarisation gebildet ist, aufgeteilt. Die Lichtstrahlen zum Ausbilden von Mischfarblicht werden in dem Strahlteiler gemischt, derart, dass das den Strahlteiler durch eine Mischlichtaustrittsfläche verlassende Mischfarblicht für die gemischten Lichtstrahlen unterschiedlicher Farbe jeweils den Teilstrahl mit der ersten Linearpolarisation und den Teilstrahl mit der zweiten Linearpolarisation umfasst. Von den Lichtquellen erzeugte und zunächst nicht zirkulär polarisierte Lichtstrahlen werden vor dem Einstrahlen in den Strahlteiler beim Durchgang durch ein optisches Funktionselement in einer Durchgangsrichtung zum Strahlteiler hin zirkulär polarisiert. Weiterhin ist eine Lichtstrahlkombinier- Vorrichtung geschaffen mit einem optischen Funktionselement, einem polarisierenden Strahlteiler und mehreren polarisierenden Reflexionselementen. Das optische Funktionselement ist dem Strahlteiler vorgelagert und konfiguriert, Lichtstrahlen, die von Lichtquellen erzeugt und nicht zirkulär polarisiert sind, in einer Durchgangsrichtung zu dem Strahlteiler zirkulär zu polarisieren. Der polarisierende Strahlteiler ist konfiguriert, über zugeordnete Lichteintritts flächen des Strahlteilers in diesen einfallende und zu mischende Lichtstrahlen unterschiedlicher Farben jeweils in einen Teilstrahl mit einer ersten Linearpolarisation und einen Teilstrahl mit einer zweiten Linearpolarisation, die senkrecht zur ersten Linearpolarisation gebildet ist, aufzuteilen und aus den aufgeteilten Teilstrahlen Mischfarblicht zu bilden. Die mehreren polarisierenden Reflexionselementen sind dem Strahlteiler gegenüberliegend angeordnet, derart, dass beim Lichtmischen aus dem Strahlteiler austretende Teilstrahlen in den Strahlteiler zurück reflektiert werden und hierbei die Linearpola- risation von der ersten in die zweite Linearpolarisation oder umgekehrt gewandelt wird. Der Strahlteiler weist eine Mischlichtaustrittsfläche auf, durch die das gebildete Mischfarblicht austritt, welches für die gemischten Lichtstrahlen unterschiedlicher Farbe jeweils den Teilstrahl mit der ersten Linearpolarisation und den Teilstrahl mit der zweiten Linearpolarisation umfasst.

Mittels der offenbarten Technologien ist es ermöglicht, das zum Lichtmischen oder Licht mischenden Kombinieren bereitgestellte Licht nahezu vollständig in die additive Farbmischung bei dem Misch- oder Kombinierprozess einzubeziehen, so dass die eingestrahlten Lichtstrahlen unterschiedlicher Farbe nahezu vollständig in das Mischfarb licht eingehen. Für die vor dem Einfallen in den polarisierenden Strahlteiler zirkulär polarisierten Lichtstrahlen umfasst das erzeugte Mischlicht jeweils den Anteil mit den beiden linear polarisierten Komponenten, die ihrerseits im polarisierenden Strahlteiler erzeugt werden. Mittels Steuerung der Lichtintensität für die Lichtstrahlen unterschiedlicher Farben können die Anteile der Farbkomponenten in dem Mischlicht individuell eingestellt werden, so dass je nach Anwendung eine ge- wünschte Mischlichtfarbe erzeugt werden kann.

Mit dem Funktionselement ist funktionsmäßig zumindest ein zirkulär polarisierendes Funkti- onselement gebildet, was auch als Zirkularpolarisator bezeichnet werden kann. Den einfallenden Lichtstrahlen unterschiedlicher Farbe können Zirkularpolarisatoren einzeln oder gemein- sam zugeordnet werden. In einer Ausgestaltung sind die optischen Funktionselemente verschiedenen Oberflächenbereichen des polarisierenden Strahlteilers gegenüberliegend angeordnet.

In einer Ausgestaltung verlaufen die in dem polarisierenden Strahlteiler geführten Strahl alle im Wesentlichen räumlich überlappend. Es kann vorgesehen sein, dass die Lichtstrahlen unterschiedlicher Farbe, die mit einer oder mehreren Lichtquellen erzeugt werden, durch eine zugeordnete Kollimationsoptik geführt werden. Auch andere Strahlformungsmaßnahmen können alternativ oder ergänzend vorgesehen sein.

Es kann die Verwendung von gering divergenten Lichtquellen vorgesehen sein. Beispielsweise können Laserlichtquellen verwendet werden, die in der Regel (teil)polarisiertes Licht abgeben. Die vorgeschlagenen Technologien erlauben es im Gegensatz zu bekannten Aufbauten auch bei nicht vollständig polarisiertem Licht, die emittierte Strahlung nahezu vollständig zu koppeln und beide Polarisationszustände zu verwenden.

Um gleichzeitig eine hohe Koppeleffizienz in eine wahlweise nachgelagerte Lichtleitfaser zu erzielen, soll der Divergenzwinkel der emittierten Strahlung die numerische Apertur der Faser nicht überschreiten. Unpolarisierte Lichtquellen wie LEDs weisen Emittanzwinkel von teil- weise mehr als 120 bis 150° auf und können daher nur zu einem kleinen Teil eingekoppelt werden. Die erzeugte Strahlung lässt sich auch nur bedingt kollimieren, da der Phasenraum als Produkt aus Orts- und Impulsraum der betrachteten Lichtquelle wesentlich größer ist als jener der Faser. Da nach dem Liouville-Theorem die Fokussierbarkeit eines Lichtstrahls begrenzt ist, steigt mit zunehmender Kollimation der Querschnitt des Lichtbündels und über- schreitet so wieder die Eintrittsfläche der Faser.

Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass Lichtstrahlen mit wenigstens drei unterschiedlichen Farben in dem Strahlteiler eingestrahlt und gemischt / kombiniert werden. In einer Ausgestaltung werden die Lichtstrahlen unterschiedlicher Farbe zu Weiß licht gemischt. Bei- spielsweise kann vorgesehen sein, Licht roter, grüner und blauer Farbe zu mischen. Mittels Variation der farblichen Anteile an der Mischung können unterschiedliche Weißlichtausprä- gungen erzeugt werden.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Lichtstrahlen unter- schiedlicher Farben über räumlich getrennte Oberflächenabschnitte des Strahlteilers in dem polarisierenden Strahlteiler eingestrahlt werden. Beispielsweise können die Lichtstrahlen über unterschiedliche Seitenflächen eingestrahlt werden. Bevorzugt sieht eine Fortbildung vor, dass beim Mischen der Lichtstrahlen unterschiedlicher Farben an dem optischen Funktionselement Teilstrahlen, die in einer Richtung entgegen der Durchgangsrichtung von dem Strahlteiler weg auf das optische Funktionselement einfallen, an dem optischen Funktionselement in den Strahlteiler zurück reflektiert werden, wobei hierbei die erste Linearpolarisation des auf das optische Funktionselement einfallenden Teilstrahls in die zweite Linearpolarisation oder umgekehrt gewandelt wird. Bei dieser Ausgestaltung dienen die optischen Funktionselemente nicht nur der Ausbildung von zirkulär polarisierten Lichtstrahlen, die dann auf den polarisierenden Strahlteiler einfallen, sondern darüber hinaus der Reflexion von Teilstrahlen, die im Prozess der Lichtmischung oder -kombination aus dem Strahlteiler austreten. Diese Strahlen werden von dem Funktionselement in den Strahlteiler zurückref ektiert, wobei hierbei noch die Linearpolarisation der reflektierten Strahlen gewandelt wird. Es kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, die Zirkularpolarisation der einfallenden Strahlen einerseits und die Reflexion der aus dem Strahlteiler bei der Lichtmischung austretenden Teilstrahlen andererseits mit getrennten optischen Funktionselementen durchzuführen. Bei dieser alternativen Ausgestaltung sind dann zirkulär polarisierende optische Funktionselemente und lichtreflektierende optische Funktionselemente vorgesehen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die von den Lichtquellen erzeugte Lichtstrahlen in dem optischen Funktionselement in Durchgangsrichtung eine äußere λ/4-Platte, eine Reflexionsschicht zum Reflektieren der vom Strahlteiler ausgehend auf das optische Funktionselement einfallenden Teilstrahlen und eine innere λ/4-Platte durchlaufen. Bei der λ/4-Platte handelt es sich um eine optische Verzögerungsplatte, die die Polarisationsrichtung des durchgehenden Lichtes dreht. Bei der inneren λ/4-Platte handelt es sich vor- zugsweise um eine achromatische λ/4-Platte, so dass der die Polarisationsrichtung drehende Effekt bei Licht unterschiedlicher Wellenlängen auftritt. Die Reflexionsschicht kann ein- oder mehrschichtig ausgeführt sein. Vorzugsweise ist sie dichroitisch ausgebildet, was einer spektralen Selektivität entspricht, dahingehend, dass ein Teil des Lichtspektrums reflektiert und ein anderer Teil des Lichtspektrums durchgelassen wird. Die Reflexion hängt insoweit von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes ab. Das optische Funktionselement in der Ausbildung als Schichtanordnung oder in anderen Ausgestaltungen kann direkt auf zugeordneten Oberflächen des polarisierenden Strahlteilers angeordnet sein. Alternativ kann zwischen dem opti- schen Funktionselement und einer zugeordneten Oberfläche des Strahlteilers ein Zwischenraum gebildet sein, beispielsweise ein Luftspalt. Die äußere λ/4-Platte ist hinsichtlich des von ihr auf einfallende Lichtstrahlen bewirkten optischen Effekte entweder schmalbandig, d. h. der optische Effekt tritt nur in einem schmalen Wellenlängenbereich auf, oder breitbandig.

Achromatische Verzögerungsplatten, die vorzugsweise zum Einsatz kommen können, bilden eine Möglichkeit, die Abhängigkeit der von ihnen implizierten optischen Effekte von der Wellenlänge zu überwinden, da die über einen sehr breiten Frequenzbereich eine konstante Phasenverschiebung erlauben. Kombinationen verschiedener doppelbrechender Materialien wie beispielsweise Quarz mit Magnesium-Fluorid, bieten Lösungen dieses Problems. Die vorgeschlagene Vorrichtung nutzt achromatische Verzögerungsplatten - im Gegensatz zum Stand der Technik -, um die Polarisation zu drehen, was nicht mit normalen Verzögerungsplatten möglich ist. In Kombination mit einem polarisierenden Strahlteiler ist es dadurch möglich, beide linear polarisierten Anteile des Lichts zu nutzen und so eine doppelt so hohe Effizienz verglichen mit anderen Vorrichtungen zu erzielen, sowie auch Lichtquellen nutzen zu können, die von Natur aus nicht oder nur teilweise polarisiert sind. Dies eröffnet ein neues Spektrum der Einsatzgebiete für die additive Farbmischung. Mittels Verwendung von achromatischen Verzögerungsplatten kann beispielsweise der Wirkungsgrad gegenüber normalen Verzögerungsplatten gesteigert werden. Achromatische Verzögerungsplatten ermöglichen eine konstante und identische Phasenverschiebung von Licht aus mehreren Lichtquellen in einem breiten Frequenzbereich. Hierdurch ist die maximale Nutzung von beiden Polarisati- onszuständen mehrerer Lichtquellen möglich.

Eine Weiterbildung kann vorsehen, dass die Lichtstrahlen unterschiedlicher Farben in dem Strahlteiler an einer polarisierenden Grenzschicht jeweils in den Teilstrahl mit der ersten Linearpolarisation und den Teilstrahl mit der zweiten Linearpolarisation aufgeteilt werden. In einer Ausgestaltung ist die polarisierende Grenzschicht im Bereich von aufeinanderliegenden Flächen von zwei Prismen gebildet. Während ein Teilstrahl mit der ersten Linearpolarisation an der Grenzfläche total reflektiert wird, gelangt der Teilstrahl mit der zweiten Linearpolarisa- tion hindurch. Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass

- ein Lichtstrahl erster Farbe, der zirkulär polarisiert ist, durch eine erste Lichteintrittsfläche in dem Strahlteiler eingestrahlt wird,

- der Lichtstrahl erster Farbe an einer polarisierenden Teilreflexionsfläche des Strahlteilers geteilt wird, derart, das ein reflektierter Teilstrahl erster Farbe mit der ersten Linearpolarisation auf einer Rückseite der Teilreflexionsfläche zu einem zweiten polarisierenden Reflexionselement reflektiert wird und ein durchgelassener Teilstrahl erster Farbe mit der zweiten Linearpolarisation durch die Teilreflexions fläche hindurch zu der Mischlichtaustrittsfläche gelangt,

- der reflektierte Teilstrahl erster Farbe von dem zweiten Reflexionselement in den Strahlteiler zurück reflektiert wird, wobei hierbei die Linearpolarisation von der zweiten in die erste Linearpolarisation gewandelt wird, und von der Rückseite der Teilreflexionsfläche durch diese hindurch zu einem dritten polarisierenden Reflexionselement gelangt und

- der durchgelassene Teilstrahl erster Farbe dann von dem dritten Reflexionselement zurück in den Strahlteiler reflektiert wird, wobei hierbei die Linearpolarisation von der ersten in die zweite Linearpolarisation gewandelt wird, und der durchgelassene Teilstrahl erster Farbe auf der Vorderseite der Reflexionsfläche zu der Mischlichtaustrittsfläche reflektiert wird. Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass

- ein Lichtstrahl zweiter Farbe, der zirkulär polarisiert ist, durch eine zweite Lichteintrittsfläche in dem Strahlteiler eingestrahlt wird,

- der Lichtstrahl zweiter Farbe an der Teilreflexionsfläche des Strahlteilers geteilt wird, derart, das ein reflektierter Teilstrahl zweiter Farbe mit der ersten Linearpolarisation auf der Rückseite der Teilreflexionsfläche zu einem ersten polarisierenden Reflexionselement reflektiert wird und ein durchgelassener Teilstrahl zweiter Farbe mit der zweiten Linearpolarisation durch die Teilreflexionsfläche hindurch zu dem dritten Reflexionselement gelangt,

- der reflektierte Teilstrahl zweiter Farbe von dem ersten Reflexionselement in den Strahlteiler zurück reflektiert wird, wobei hierbei die Linearpolarisation von der ersten in die zweite Linearpolarisation gewandelt wird, und von der Rückseite der Teilreflexions fläche durch diese hindurch zu der Mischlichtaustrittsfläche gelangt und - der durchgelassene Teilstrahl zweiter Farbe von dem dritten Reflexionselement zurück in den Strahlteiler reflektiert wird, wobei hierbei die Linearpolarisation von der zweiten in die erste Linearpolarisation gewandelt wird, und der durchgelassene Teilstrahl zweiter Farbe dann auf der Vorderseite der Reflexionsfläche zu der Mischlichtaustrittsfläche reflektiert wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass

- ein Lichtstrahl dritter Farbe, der zirkulär polarisiert ist, durch eine dritte Lichteintrittsfläche in dem Strahlteiler eingestrahlt wird,

- der Lichtstrahl dritter Farbe an der Teilreflexionsfläche des Strahlteilers geteilt wird, derart, dass ein reflektierter Teilstrahl dritter Farbe mit der ersten Linearpolarisation auf der Vorderseite der Teilreflexionsfläche zu der Mischlichtaustrittsfläche hin reflektiert wird und ein durchgelassener Teilstrahl dritter Farbe mit der zweiten Linearpolarisation durch die Teilreflexionsfläche hindurch zu dem zweiten Reflexionselement gelangt,

- der reflektierte Teilstrahl dritter Farbe von dem zweiten Reflexionselement in den Strahlteiler zurück reflektiert wird, wobei hierbei die Linearpolarisation von der zweiten in die erste Linearpolarisation gewandelt wird, und von der Rückseite der Teilreflexionsfläche zu dem ersten Reflexionselement reflektiert wird und

- der reflektierte Teilstrahl dritter Farbe von dem ersten Reflexionselement zurück in den Strahlteiler reflektiert wird, wobei hierbei die Linearpolarisation von der ersten in die zweite Linearpolarisation gewandelt wird, und dann von der Rückseite durch die Reflexionsfläche hindurch zu der Mischlichtaustrittsfläche gelangt.

In Verbindung mit der Lichtmischvorrichtung können vorteilhafte Ausgestaltungen den vo- rangehenden Erläuterungen entsprechend vorgesehen sein.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, die Lichtstrahlen unterschiedlicher Farben über räumlich getrennte Oberflächenabschnitte des Strahlteilers in dem polarisierenden Strahlteiler eingestrahlt werden.

Bei dem medizinischen Instrument kann vorgesehen sein, die Lichtstrahlkombinier- Vorrichtung in einem Griffabschnitt anzuordnen, zum Beispiel im Griff eines Endoskops. Die vorangehende Beschreibung erläutert den Prozess der spektralen Lichtmischung. Mittels Umkehr der physikalischen Prozesse in der Lichtstrahlkombinier- Vorrichtung kann diese zur spektralen Lichtzerlegung genutzt werden. Hierbei wird Mischfarblicht in den polarisierenden Strahlteiler eingestrahlt, welches dort dann unter Einbeziehung der externen Polarisations- / Reflexionselemente in getrennte einfarbige Lichtstrahlen unterschiedlicher Farben zerlegt wird, die ihrerseits einer Verwendung zugeführt werden können. Hierdurch ist dann ein Verfahren zum spektralen Zerlegen von Mischfarblicht in getrennte einfarbige Lichtstrahlen geschaffen, wobei der Strahlenverlauf der einzelnen Strahlen / Teilstrahlen gerade umgekehrt zum Prozess der Lichtmischung ist. Beispielsweise wird so über die Mischfarblichtaustritts- fläche eingestrahltes Weiß licht in die Bestandteile roter, grüner und blauer Lichtstrahl zerlegt, die an den unterschiedlichen Eintrittsflächen des polarisierenden Strahlteilers austreten.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Lichtmisch- oder Lichtkombinier- Vorrichtung,

Fig. 2 eine grafische Darstellung für die spektrale Verzögerungsgenauigkeit von achromatischen Viertelwellen- Verzögerungsplatten (aQWP),

Fig. 3 eine grafische Darstellung für das Reflexionsvermögen einer dichroitischen Be- schichtung mit Transmission im langwelligen, roten Bereich,

Fig. 4 eine grafische Darstellung für das Reflexionsvermögen einer dichroitischen Be- schichtung mit Transmission im kurzwelligen, blauen Bereich,

Fig. 5 eine grafische Darstellung für das Reflexionsvermögen einer dichroitischen Be- schichtung mit Bandpasseigenschaften im grünen Bereich,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Endoskops mit distaler Kameraeinheit (Chip-on- the-tip) mit einer Vorrichtung zur Lichtmischung,

Fig. 7 eine schematische Anordnung eines Endoskops mit griffseitiger Kamera und Stablinsensystem für die optische Darstellung mit einer Vorrichtung zur Lichtmischung,

Fig. 8 eine schematische Anordnung eines Endoskops mit griffseitiger Kamera und Fasern zur Bildleitung für die optische Abbildung mit einer Vorrichtung zur Lichtmischung. Polarisierende Strahlteiler zerlegen elektromagnetische Strahlung in zwei Teilstrahlen, deren elektrischer Feldvektor senkrecht (s-polarisiert) und parallel (p-polarisiert) zur Brechungsebene linear polarisiert schwingt. Während der parallel polarisierte Teilstrahl ohne Brechung die Grenzfläche des Strahlteilers durchdringt und transmittiert wird, erfährt der senkrecht polarisierte Teilstrahl eine Totalreflexion an der Grenzfläche des Strahlteilers, vergleichbar der Strahlwege in einem Glan-Taylor-Prisma.

Auf diese Weise lassen sich aus unpolarisiertem Licht zwei räumlich getrennte Teilstrahlen mit p- und s-polarisierten E-Feld- Vektoren erzeugen, die für weitere Anwendungen nutzbar sind. Für die Verwendung als Lichtquelle stellt diese Aufteilung in der Regel jedoch einen wesentlichen Nachteil dar, da meist nur einer der beiden Teilstrahlen genutzt wird. Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch die Anwendung der Polarisation, der spektralselektiven Reflexion und der Eigenschaft optischer Isolatoren den Einsatz beider Teilstrahlen für mehre- re räumlich getrennte Lichtquellen, um so annähernd 100 % des verwendeten Lichts zur additiven Farbmischung der einzelnen Strahlen aller Lichtquellen zu erreichen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einem Teiler oder Kombina- tor von Licht, der aus zwei Teilprismen 1 und 2 aufgebaut ist, die mit einer polarisierenden Grenzschicht oder -fläche 3 an ihrer Kontaktfläche versehen sind. Die zwei Prismen 1, 2 bilden einen polarisierenden Strahlteiler (PBS). An drei der vier Eintritts- / Austrittsflächen des PBS befindet sich eine achromatische Viertelwellen- Verzögerungsplatte (aQWP) 4a, 4b, 4c, die linear polarisiertes Licht in zirkulär polarisiertes Licht und umgekehrt transformiert. Der wesentliche Vorteil gegenüber normalen Viertelwellen- Verzögerungsplatten (QWP) liegt dar- in, dass die Verzögerung von aQWP wellenlängenunabhängig für einen breiten Wellenlängenbereich ist.

Jede der drei aQWP 4a, 4b, 4c ist mit einer oder mehreren dichroitischen Schichten 5a, 5b, 5c oder alternativ dichroitischen Spiegeln versehen, welche jedoch alle unterschiedliche Grenz- frequenzen bezüglich der Reflexion / Transmission aufweisen. Wesentlich ist ihre Eigenschaft, polarisationsunabhängig und spektralselektiv zu reflektieren und zu transmittieren. Hinter jeder der drei dichroitischen Schichten 5a, 5b, 5c, die als dichroitische Spiegel aus- führbar sind, befindet sich eine weitere QWP 6a, 6b, 6c. Hinter diesen äußeren QWP 6a, 6b, 6c ist jeweils eine Lichtquelle 7, 8, 9 angeordnet, welcher zur besseren Übertragung eine jeweils geeignete parallelisierende Kollimationsoptik (nicht dargestellt) vorgeschaltet werden kann. Die äußeren QWP 6a, 6b, 6c sind entweder ebenfalls breitbandige aQWP oder bei Ver- wendung schmalbandiger Lichtquellen wie Laser an deren Wellenlänge angepasste normale QWP.

Die geschilderte Funktion weist nur dann eine derart hohe Transmission von annähernd 100% auf, wenn die verwendeten, möglicherweise aber nicht zwingend baugleichen aQWP 4a, 4b, 4c eine sehr gute Verzögerungsgenauigkeit besitzen. Fig. 2 zeigt einen bevorzugten spektra- len Verlauf einer geeigneten aQWP, wie sie auch im Handel erhältlich ist. Bei sehr schmal- bandigen Lichtquellen wie Lasern sind die äußeren QWP 6a, 6b, 6c vorzugsweise direkt auf diese angepasst, oder es können, sowohl für Laser als auch für breitbandige Lichtquellen, passende aQWP eingesetzt werden. Wichtig sind die spektralen Reflexions- und Transmissionseigenschaften der dichroitischen Beschichtungen / dichroitischen Spiegel 5a, 5b, 5c. Abhängig von der Schmalbandigkeit der verwendeten Lichtquellen 7, 8, 9 auf den Seiten 10, 11, 12 des Strahlteilers sind sie an diese angepasst. Für eine rote Lichtquelle 7 ist in Fig. 3 ein geeigneter spektraler Reflexionsverlauf dargestellt. Sein Reflexionsverhalten gleicht einem spektralen Tiefpass. Fig. 4 zeigt einen passenden Verlauf für eine blaue Lichtquelle 9. Dieser gleicht einem spektralen Hochpass. In Fig. 5 schließlich ist ein optimaler spektraler Verlauf der Beschichtung für eine grüne Lichtquelle 8 zu erkennen. Der typische Verlauf eines Bandpasses kann entweder mit einem einzelnen dichroitischen Material oder durch Kombination eines Tief- und Hochpasses unterschiedlicher Grenzfrequenz wie in Fig. 3 und Fig. 4 erreicht werden. In den Fig. 3 bis 5 ist entlang der x- Achse jeweils die Wellenlänge λ aufgetragen.

Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Farbtemperatur und den subjektiven Farbeindruck variieren zu können. Da die drei Lichtquellen 7, 8, 9 einzeln angesteuert und ihre Intensitäten variabel eingestellt werden können, ist es dem Benutzer möglich, einen Weißabgleich auf sein eigenes Empfinden anzupassen. Diese Eigenschaft löst ein Prob- lem, das bekannte Lichtquellen, insbesondere beim Einsatz im endoskopischen Bereich, aufwiesen: das emittierte Spektrum wurde von Anwendern häufig als„kalt" beschrieben, die abgebildeten Strukturen wirkten„unnatürlich". Dank der individuellen Einstellmöglichkeit ist es mit der vorgeschlagenen Vorrichtung möglich, den bisher obligatorischen automatischen Weißabgleich zu vermeiden und durch direkte Einflussnahme auf die Lichtquellen die Farbwiedergabe zu steuern. Wird zum Beispiel bei gleichzeitiger Reduktion der Intensität der blauen Lichtquelle die Intensität der roten Lichtquelle erhöht, so kann bei konstanter Strahlungsleistung ein„wärmerer" Farbton eingestellt werden. Nachfolgend wird der Prozess der Lichtstrahlmischung oder -kombination unter Bezugnahme auf Fig. 1 im Detail erläutert.

Der grüne Lichtstrahl 8a, hier allgemein mit zwei willkürlichen Anteilen an linear p- und s- polarisiertem Licht dargestellt, durchläuft die äußere Viertelwellen- Verzögerungsplatte (QWP) 6b, was die beiden linear polarisierten Anteile zu links und rechts zirkulär polarisiertem Licht wandelt. Beide Anteile durchlaufen dann eine dichroitische Beschichtung oder einen dichroitischen Spiegel 5 b, die oder der für Licht der verwendeten Lichtquelle transparent, für längere oder kürzere Wellenlängen hingegen reflektierend wirkt. Darauf folgt eine achromatische Viertelwellen- Verzögerungsplatte (aQWP) 4b, die beide Anteile eine weitere Vier- telwellen-Phasendrehung erfahren lässt, so dass der s-polarisierte Anteil des Strahls 8a jetzt linear p-polarisiert ist und umgekehrt. Der Lichtstrahl 8b nach den Komponenten 6b, 5b, 4b weist also die gleichen Eigenschaften wie 8a auf. Der Strahl 8b tritt durch die Grenzfläche 1 1 in das erste Prisma 1 des polarisierenden Strahlteilers ein und trifft auf die polarisierende Grenzschicht 3. An dieser wird der p-polarisierte Anteil in Prisma 2 transmittiert (Strahl 8c) und tritt durch die Grenzfläche 13 aus dem Prisma 2 aus. Der s-polarisierte Anteil 8d wird an der Grenzfläche 3 reflektiert und tritt nach Verlassen von Prisma 1 in die aQWP 4a ein, durchläuft diese, wird an der dichroitischen Beschichtung oder dem dichroitischen Spiegel 5a reflektiert und durchläuft aQWP 4a wieder in die entgegen gesetzte Richtung. Nach Verlassen von aQWP 4a und Wiedereintritt in Prisma 1 hat Strahl 8d zweimal eine Phasendrehung von einer Viertelwellenlänge, also eine Phasendrehung von π/2 erfahren, wurde also erst von s-polarisiert zu links oder rechts zirkulär polarisiert, erfuhr bei der Reflexion einen Phasensprung von π und wurde anschließend von rechts oder links zirkulär zu p-polarisiert. Der nun p-polarisierte Strahl 8e durchläuft den Strahlteiler, geht durch aQWP 4c, wird an der dichroitischen Beschichtung oder dem dichroitischen Spiegel 5c reflektiert und zurück durch aQWP 4c geschickt. Nach doppeltem Durchgang von aQWP 4c und einer Phasendrehung von zweimal einer Viertelwellenlänge ist der p-polarisierte Strahl 8e zum s-polarisierten Strahl 8f gewandelt worden. Beim Wiedereintritt in Prisma 2 wird Strahl 8f an der Grenzschicht 3 reflektiert und tritt als Strahl 8g durch 13 wie Strahl 8c aus. Sowohl der p- als auch der s-polarisierte Strahlanteil von Strahl 8a sind also vollständig durchgeleitet worden.

Der rote Lichtstrahl 7a, ebenfalls mit zwei willkürlichen Anteilen an linear p- und s-polarisiertem Licht dargestellt, durchläuft die äußere Viertelwellen- Verzögerungsplatte (QWP) 6a, was die beiden linear polarisierten Anteile zu rechts und links zirkulär polarisiertem Licht wandelt. Beide Anteile durchlaufen dann eine dichroitische Beschichtung oder ei- nen dichroitischen Spiegel 5a, die oder der für Licht der verwendeten Lichtquelle transparent, für kürzere Wellenlängen hingegen reflektierend wirkt. Darauf folgt eine achromatische Viertelwellen-Verzögerungsplatte (aQWP) 4a, die beide Anteile eine weitere Viertelwellen- Phasendrehung erfahren lässt, so dass Strahl 7b die gleichen Eigenschaften wie Strahl 7a besitzt. Strahl 7b tritt durch die Grenzfläche 10 in das erste Prisma 1 des polarisierenden Strahl- teilers ein und trifft auf die polarisierende Grenzschicht 3. An dieser wird der p-polarisierte Anteil 7d in Prisma 2 transmittiert und tritt durch die Grenzfläche 12 aus Prisma 2 aus. Strahl 7d läuft dann durch die aQWP 4c, wird an 5c reflektiert und durchläuft wieder 4c. Dabei erfährt der p-polarisierte Strahl 7d zwei Viertelwellen-Phasendrehungen und tritt als s-polarisierter Strahl 7f durch 12 wieder in 2 ein. An der Grenzfläche 3 wird er reflektiert und durchläuft vor Verlassen durch 13 das Prisma 2. Der s-polarisierte Anteil 7c wird an 3 reflektiert und tritt nach Verlassen von Prisma 1 durch die Grenzfläche 11 in die aQWP 4b ein, durchläuft diese, wird an der dichroitischen Beschichtung 5b reflektiert und durchläuft aQWP 4b wieder in die entgegen gerichtete Richtung. Nach Verlassen von aQWP 4b und Wiedereintritt in Prisma 1 hat Strahl 7c zweimal eine Phasendrehung von einer Viertelwellenlänge, also eine Phasendrehung von π/2 erfahren, wurde also erst von s-polarisiert zu links oder rechts zirkulär polarisiert, erfuhr bei der Reflexion einen Phasensprung von π und wurde anschließend von rechts oder links zirkulär zu p-polarisiert. Der nun p-polarisierte Strahl 7e durchläuft den Strahlteiler und tritt durch 13 aus. Sowohl der p- als auch der s-polarisierte Strahlanteil von Strahl 7a sind also vollständig durchgeleitet worden.

Der blaue Lichtstrahl 9a, wieder mit zwei willkürlichen Anteilen an linear p- und s-polarisiertem Licht dargestellt, durchläuft die äußere Viertelwellen- Verzögerungsplatte (QWP) 6c, was die beiden linear polarisierten Anteile zu links und rechts zirkulär polarisiertem Licht wandelt. Beide Anteile durchlaufen dann 5c, welches für Licht der verwendeten Lichtquelle transparent, für längere Wellenlängen hingegen reflektierend wirkt. Darauf folgt eine achromatische Viertelwellen- Verzögerungsplatte (aQWP) 4c, die beide Anteile eine wei- tere Viertelwellen-Phasendrehung erfahren lässt, so dass der s-polarisierte Anteil von Strahl 9a jetzt linear p-polarisiert ist und umgekehrt. Der Lichtstrahl 9b ist wieder identisch zu Strahl 9a und tritt durch die Grenzfläche 12 in das zweite Prisma 2 des polarisierenden Strahlteilers ein und trifft auf die polarisierende Grenzschicht 3. An dieser wird der s-polarisierte Anteil 9c reflektiert und tritt durch die Grenzfläche 13 aus Prisma 2 aus.

Der p-polarisierte Anteil 9d wird an der Grenzfläche 3 transmittiert, durchläuft Prisma 1 und tritt durch die Fläche 10 in die aQWP 4a ein, durchläuft diese, wird an der dichroitischen Be- schichtung oder dem dichroitischen Spiegel 5 a reflektiert und durchläuft aQWP 4a wieder in die entgegen gerichtete Richtung. Nach Verlassen von aQWP 4a und Wiedereintritt in Prisma 1 hat Strahl 9d zweimal eine Phasendrehung von einer Viertelwellenlänge, also eine Phasendrehung von einer halben Wellenlänge erfahren, wurde also erst von p-polarisiert zu links oder rechts zirkulär polarisiert, erfuhr bei Reflexion einen Phasensprung von π und wurde anschließend von rechts oder links zirkulär zu s-polarisiert. Der nun s-polarisierte Strahl 9e durchläuft 1 , wird an der Grenzfläche 3 reflektiert, verlässt nun als Strahl 9f das Prisma 1 durch Fläche 1 1 , geht durch aQWP 4b, wird an der dichroitischen Beschichtung 5b reflektiert und zurück durch aQWP 4b geschickt. Nach doppeltem Durchgang von aQWP 4c und einer Phasendrehung von zweimal einer Viertelwellenlänge ist der s-polarisierte Strahl 9f zum p- polarisierten Strahl 9g gewandelt worden. Beim Wiedereintritt in Prisma 1 durch Fläche 1 1 wird Strahl 9g an der Grenzfläche 3 transmittiert und tritt durch Fläche 13 wie Strahl 9c aus. Sowohl der p- als auch der s-polarisierte Strahlanteil von Strahl 9a sind also vollständig durchgeleitet worden. Nicht dargestellt aber genauso verwendbar sind KoUimieroptiken zwischen den Lichtquellen 7, 8, 9 und den äußeren QWP 6a, 6b, 6c, um das Licht vor Eintritt in die Vorrichtung zu paral- lelisieren. Ebenfalls nicht dargestellt, aber genauso möglich ist eine Fokussieroptik nach der Mischlichtaustrittsfläche 13, um das durchtretende Licht aller Lichtquellen beispielsweise in eine schmale Lichtleitfaser zu bündeln.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Endoskops 60 mit distaler Kameraeinheit (Chip-on-the-tip). Im Griffabschnitt 61 ist eine Vorrichtung zur Lichtmischung 62 angeordnet, wie sie vorangehend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde.

Fig. 7 zeigt eine schematische Anordnung eines weiteren Endoskops 70 mit griffseitiger Kamera 71 und einem Stablinsensystem 72 für die optische Abbildung. Im Griffabschnitt 73 ist vergleichbar dem Endoskop 60 in Fig. 6 eine Vorrichtung zur Lichtmischung 62 gebildet. Schließlich zeigt Fig. 8 eine schematische Darstellung eines anderen Endoskops 80 mit griffseitiger Kamera 81 und Fasern 82 zur Bildleitung für die optische Abbildung. Die Vorrichtung zur Lichtmischung 62 ist wieder im Griffabschnitt 83 angeordnet, also distal zum Lichtaustritt des Endoskops 80. Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.