B e s c h r e i b u n g

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Be¬ leuchtung von insbesondere von einer Videokamera aufgenom¬ menen Objekten, mit wenigstens einer Lampe, deren Licht ein Kondensorsystem auf ein optisches System projiziert, das das Licht auf das oder die zu beleuchtenden Objekte richtet, und mit einem Steuermittel zur Steuerung der Beleuchtungsstärke, mit der das Objekt beleuchtet wird.

Derartige Einrichtungen werden in einer Vielzahl von Fäl¬ len benötigt. Typische Anwendungsfälle sind die medizini¬ sche oder technische Video-Endoskopie oder die Bildverar¬ beitung insbesondere technischer Szenen.

Stand der Technik

Bei bekannten gattungsgemäßen Einrichtungen werden als Lampen insbesondere Halogenlampen oder Lichtbogenlampen (Xenon, HMI usw.) verwendet. Zur Steuerung bzw. Regelung der Beleuchtungshelligkeit wird bei Halogenlampen häufig eine Spannungsregelung verwendet, während bei Lichtbogen¬ lampen meist eine mechanisch motorische Blendenregelung verwendet wird.

Die Steuerung der Beleuchtungshelligkeit über die Lampen¬ spannung bzw. die Lampenleistung hat den Nachteil, daß sich in Abhängigkeit von der Spannung bzw. Leistung die Farbtemperatur der Lampe ändert. Dies ist sowohl in der

Video-Endoskopie als auch bei der Bildverarbeitung uner¬ wünscht, da sich ein Farbverschiebung des Bildes ergibt. Vor allem aber ist diese Form der Steuerung bei Bogenlam¬ pen nicht anwendbar.

Die Verwendung einer Blende, wie beispielsweise einer Irisblende, hat den Nachteil, daß sich u.U. die Blende stark aufheizt. Diese Auf eizung ist nicht nur unangenehm, sondern kann zu auch einer Verformung von Lamellen der Blende führen. Ferner können Abschattungseffekte auftre¬ ten.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Beleuchtung von insbesondere von einer Videokamera aufgenommenen Objekten, mit wenigstens einer Lampe, deren Licht ein Kondensorsystem auf ein optisches Syyte proji¬ ziert, das das Licht auf das oder die zu beleuchtenden Objekte richtet, und mit einem Steuermittel zur Steuerung der Beleuchtungsstärke, mit der das Objekt beleuchtet wird, derart weiterzubilden, daß die Beleuchtungs-Hellig¬ keit ohne Verwendung insbesondere mechanischer Blenden und ohne Regelung der Lampenleistung, d.h. insbesondere ohne Farbverschiebungen schnell und zuverlässig eingestellt werden kann.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in An¬ spruch 1 angegeben:

Erfindungsgemäß verschiebt das Steuermittel die Lampe, das Kondensorsystem und/oder das optische System in Richtung der optischen Achse des Kondensorsystems bzw. des opti¬ schen Systems oder senkrecht hierzu bzw. verschwenkt wenigstens eines der vorgenannten Elemente.

Anders ausgedrückt, erfolgt erfindungsgemäß eine Steue¬ rung der Lage des Fokus des Kondensorsystems bezüglich des nachgeordneten optischen Systems, während die Lampe vorteilhafter, aber nicht notwendiger Weise mit einer konstanten Spannung bzw. mit konstanter Leistung beauf¬ schlagt wird (Anspruch 12).

Da es nicht notwendig ist, die Lampenhelligkeit zu steuern bzw. zu regeln, können bei einer erfindungsgemäßen Ein¬ richtung beliebige Lampen, beispielsweise die in Anspruch 13 angegebenen Halogenlampen, aber auch Lichtbogenlampen oder andere und insbesondere kostengünstige Lampentypen Verwendung finden. In jedem Falle ändert sich die Farbtem¬ peratur der Lampe nicht, da der Arbeitspuntk der Lampe nicht verschoben wird.

Darüberhinaus kann die Helligkeitssteuerung bzw. -regelung mit geringem Leistungseinsatz erfolgen, da für die erfin¬ dungsgemäße Helligkeitssteuerung durch Verschiebung der Fokuslage nur geringe Hübe erforderlich sind.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprü¬ che 2 folgende:

Gemäß Anspruch 2 betätigt eine Steuereinheit das Steuer¬ mittel. An der Steuereinheit kann ein von Hand oder einer Programmsteuerung eingegebenes Stellsignal, aber auch ein Regelsignal einer Lichtmeßeinrichtung anliegen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Regelsignal nach An¬ spruch 5 aus dem Videosignal einer Videokamera abgeleitet wird. Im Anspruch 6 ist angegeben, daß das Regelsignal aus dem Ausgangssignal des Bildaufnehmers vor der Signalaufbe¬ reitung durch die Kameraelektronik abgeleitet wird. Diese

Ausbildung hat den Vorteil, daß die Videokamera-Verstär¬ kungsregelung und die Lichtregelung kein gegenseitiges "Pumpen" erzeugen.

Die Verschiebung in Richtung der optischen Achse bzw. senkrecht hierzu und/oder die Verschwenkung der Lampe, des Kondensorsystems und/oder des optischen Sytems können im Prinzip in beliebiger Weise erfolgen. Beispiele sind die Verwendung eines elektrodynamischen Systems (Anspruch 3) oder eines Shape-Memory-Elements, dessen Temperatur durch ein Heizelement einstellbar ist (Anspruch 4).

Ferner kann das Steuermittel als einzige Einstellmöglich¬ keit oder als zusätzliche Einstellmöglichkeit eine manuel¬ le Verschiebung der Lampe, des Kondensorsystems und/oder des optischen Systems beispielsweise über eine Einstell¬ schnecke ermöglichen (Ansprüche 7 bzw. 8).

Weiter ist es möglich, daß das Steuermittel zur manuellen Einstellung der Lampenhelligkeit eine EinStelleinrichtung für den durch das elektrodynamische System bzw. das Heiz¬ element fließenden Strom aufweist (Anspruch 9).

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat den Vorteil, daß eine Reduzierung der Helligkeit nicht zu einer Erhöhung des Infrarotanteils führt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das optische System - wie beispielsweise in Videoendoskopen - ein Glasfaserbündel aufweist, das das Licht zu dem zu beleuchtenden Objekt leitet, da der heiße Lichtstrom nicht das Glasfaserbündel "verbrennen" kann.

Dennoch kann es in einer Reihe von Anwendungsfällen von Vorteil sein, ein Infrarotsperrfilter vorzusehen (An¬ spruch 10), das gemäß Anspruch 11 einen Winkel ungleich

90° mit der optischen Achse des Kondensors bzw. des opti¬ schen Systems einschließt. Durch das schräggestellte In¬ frarotsperrfilter wird die IR-Strahlung aus dem Strahlen¬ gang ausgespiegelt.

Die in Anspruch 14 angegebene Anordnung der Lampe in einem Wechseladapter hat eine Reihe von Vorteilen:

Zum einen ist die Verwendung verschiedener Wechseladapter mit unterschiedlichen Lichteintrittspunkten und automati¬ scher Fokusanpassung bei unterschiedlichen Längen der Steckverbinder der Lichtleitkabel möglich.

Weiterhin kann der Wechseladapter als Lampenschnellwechs- ler mit Drehverschluß an der Rückwand ausgebildet sein, Hierdurch bleibt der Lampenträger vergleichsweise kühl und der Lampenwechsel kann von der Rückseite der Einrichtung, also außerhalb des Sterilbereichs bei medizinzischen An¬ wendungen erfolgen.

Eine Weiterbildung der Erfindung, die aber auch unabhängig von den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführ¬ ten Merkmalen eingesetzt werden kann, ist im Anspruch 16 angegeben:

Bei KondensorSystemen, die einen Reflektor für das Licht der Lampe aufweisen, tritt folgendes Problem auf:

Aufgrund der Abschmelzstelle, die in der Regel zentral angeordnet ist, treten die Lichtstrahlen aus dem Reflektor unter einem Winkel zur optischen Achse aus und damit auch nicht senkrecht in die Lichteintrittsfläche(n) des Glas¬ faserbündels ein, so daß sich ein beträchtlicher Lichtver¬ lust ergeben kann.

Erfindungsge äß sind Mittel vorgesehen, die die aus dem Reflektor austretenden Lichtstrahlen annähernd senkrecht in die Lichteintrittsfläche(n) des Glasfaserbündels ein¬ leiten.

Diese Mittel können beispielsweise aus einer Auffächerung des Glasfaserbündels bestehen, die derart ausgebildet ist, daß das auf einem Kegelmantel aus dem Reflektor austreten¬ de Licht annähernd senkrecht in jedes der einzelnen Teil¬ bündel des aufgefächerten Glasfaserbündels eintritt (An¬ spruch 17) .

Alternativ oder zusätzlich können die Mittel gemäß An¬ spruch 18 wenigstens eine Linse aufweisen, die das auf einem Kegelmantel aus dem Reflektor austretende Licht derart umlenkt, daß es annähernd senkrecht in das oder die Glasfaserbündel eintritt. Diese Linse hat bevorzugt eine Oberfläche, die nicht einfach sphärisch gekrümmt ist, sondern die unterschiedlich gekrümmte Bereiche aufweist, also mehrere "Kalotten" aufweist, die das Licht auf dem Kegelmantel in die optische Achse des Systems und insbe¬ sondere des Glasfaserbündels umlenken.

Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Reflektor gemäß Anspruch 20 Infrarot-durchlässig verspiegelt ist, da sich bei dieser Ausführung ein "kaltes" Licht ohne Rotverschie¬ bung und ohne sich aufheizenden Infrarotfilter ergibt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all¬ gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei¬ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung

aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Lampe mit einem Reflektor verscho¬ ben wird,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Kondensor verschoben wird,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das nachgeordnete optische System ver¬ schoben wird.

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit manueller Einstellung,

Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit "Shape-Memory-Verschiebung",

Fig. 6 ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Lampe mit Reflektor verschwenkt wird, und

Fig. 7 und 8 Ausführungsbeispiele, bei denen die Licht- Einkoppelung in ein Glasfaserbündel annähernd senkrecht erfolgt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Im folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens am Beispiel einer Beleuch¬ tungseinrichtung für ein Videoendoskop zunächst anhand der Figuren 1 bis 5 beschrieben. Am proximalen oder am dista- len Ende eines nicht dargestellten Endoskops ist eine Videokamera mit einem Objektiv 1 und einem Bildaufnehmer 2 vorgesehen.

Zur Beleuchtung der von der Videokamera aufgenommenen Szene ist die Beleuchtungseinrichtung vorgesehen, die im folgenden näher beschrieben wird:

Eine Lampe 3 ist in einem Reflektor 4 angeordnet, vor dem ein IR-Sperrfilter 5 vorgesehen ist, der bei den in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen schräg zur optischen Achse des Reflektors angeordnet ist, so daß die Infrarotstrahlung aus dem Strahlengang reflek¬ tiert wird. Das durch den IR-Sperrfilter 5 hindurchtreten¬ de Licht wird von einer Kondensorlinse 6 auf ein Licht¬ leitkabel 7 fokussiert, das das Beleuchtungslicht zu dem von der Videokamera aufgenommenen Objekt (nicht darge¬ stellt) leitet. Die .Kondensorlinse 6 weist einen Konvekt.- Schliff auf, um den dunklen Lichtfleck im Strahlengang aufgrund des Abschmelzpunktes von Halogenlampen auszuglei¬ chen.

Bei dem gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist die Lampe 3 zusammen mit dem Reflektor 4 längs dessen optischer Achse, die mit der optischen Achse der Kondensorlinse 6 und des nachgeordneten optischen Systems 7 übereinstimmt, durch ein elektrodynamisches System verschiebbar, das von einer Spule 8 und Magneten 9 gebildet wird. Mit 10 ist ein Gehäuseteil und die Befestigung an diesem Teil bezeichnet.

Die Spule 8 wird von einem Stellsignal beaufschlagt, das von einer Lichtwert-Steuer-bzw. Regeleinheit 11, die dem Bildaufnehmer 2 nachgeschaltet ist, oder einem Manuell- Regler 12 erzeugt wird. Zum Umschalten zwischen Regelung und Manuell-Steuerung ist ein Schalter 13 vorgesehen. Mit 14 ist eine Kameraelektronik bezeichnet.

Durch die Verschiebung der Lampe 3 zusammen mit dem die Lampe umgebenden Reflektor 4 in Richtung der optischen Achse des Kondensorsystems 6 bzw. des nachgeordneten opti¬ schen Systems 7 wird die Lage des Fokus des Kondensor-

systems 6 bezüglich des nachgeordneten optischen Systems 7 und somit die Lichteinkopplung in das optische System variiert, während die Lampe vorteilhafter, aber nicht notwendiger Weise mit einer konstanten Spannung bzw. mit konstanter Leistung beaufschlagt wird, so daß sich ihre Farbtemperatur nicht ändert.

In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder ent¬ sprechende Teile mit den selben Bezugszeichen bezeichnet, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird, und lediglich die Abweichungen der in diesen Figuren darge¬ stellten Ausführungsbeispiele gegenüber dem ersten Ausfüh¬ rungsbeispiel erläutert werden:

Fig 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem nicht die Lampe 3, sondern die Kondensorlinse bzw. das Kondensorsystem 6 durch das elektromagnetische System 8,9 in Richtung der optischen Achse der optischen Systeme verschoben wird. Hierdurch wird ebenfalls die Lage des Fokus des Kondensorsystems 6 bezüglich des nachgeordneten optischen Systems 7 und somit die Lichteinkopplung in das optische System variiert.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsbei¬ spiel wird anstelle des Kondensors 6 das Lichtleitkabel 7 in Richtung der optischen Achse durch das elektromagneti¬ sche System 8, 9 verschoben.

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfin¬ dung, bei dem das Lichtleitkabel 7 in Richtung der opti¬ schen Achse manuell verschoben wird. Hierzu sind eine Einstellschnecke 15, ein Führungszapfen 16 sowie ein Dreh¬ knopf 17 vorgesehen.

Bei dem vierten Ausführungsbeispiel ist ferner die Lampe 3 an einem Lampenwechsler 18 über eine Hitze-Dehnungsfeder 19 gehalten, durch die Kontaktprobleme aufgrund unter¬ schiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der Lampe 3 und des Gehäuses 10 bzw. 10' vermeiden werden.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten fünften Ausführungsbei¬ spiel wird die Kondensorlinse 6 durch eine Shape-Memory- Metallfeder 20 verschoben, die durch Stromdurchfluß er¬ wärmt wird, so daß sie sich ausdehnt. Bei einer Verringe¬ rung des Stromdurchflusses drückt eine Feder 21 die Kon¬ densorlinse 6 wieder zurück. Durch einen in der Beleuch¬ tungseinrichtung vorgesehenen Ventilator zur Kühlung der Lampe kann zusätzlich eine schnelle Abkühlung der Feder 20 erreicht werden, so daß kurze Einstellzeiten möglich sind.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei keine Verschiebung, sondern eine Verschwenkung, in diesem Falle der Lampe 3 nebst Reflektor 4 erfolgt. Auch hier¬ durch erfolgt eine Verlagerung des Lampenfokus in Bezug auf das nachgeordnete Glasfaserbündel 7, so daß wiederum die Lichteinkopplung in das Glasfaserbündel in Abhängig¬ keit vom Schwenkwinkel variiert. Selbstverständlich kann anstelle der Verschwenkung auch eine Verschiebung in Richtung senkrecht zur optischen Achse erfolgen.

Für das bei den in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Kon- densorsystemen, die einen Reflektor 4 für das Licht der Lampe 3 aufweisen, auftretende, nachfolgend dargelegte Problem ist eine Lösung in den Figuren 7 folgende aufge¬ zeigt:

Aufgrund der Abschmelzstelle der Lampe 3, die in der Regel zentral angeordnet ist, treten die Lichtstrahlen aus dem

Reflektor 4 unter einem Winkel zur optischen Achse aus und damit auch nicht senkrecht in die Lichteintrittsfläche(n) des Glasfaserbündels 7 ein, so daß sich ein beträchtlicher Lichtverlust ergeben kann. Zur weitgehenden Vermeidung dieses Lichtverlustes sind bei

Erfindungsgemäß sind Mittel vorgesehen, die die aus dem Reflektor austretenden Lichtstrahlen annähernd senkrecht in die Lichteintrittsfläche(n) des Glasfaserbündels ein¬ leiten.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Linse 73 vorgesehen, die das auf einem Kegelmantel aus dem Reflektor 4 austretende Licht der Lampe 3 derart umlenkt, daß es annähernd senkrecht in das Glasfaserbündel 7 eintritt. Diese Linse hat bevorzugt eine Oberfläche, die nicht einfach sphärisch gekrümmt ist, sondern die unter¬ schiedlich gekrümmte Bereiche aufweist, also mehrere "Ka¬ lotten" aufweist, die das Licht auf dem Kegelmantel in die optische Achse des Systems und insbesondere des Glasfaser¬ bündels umlenken.

Bei dem in den Fig. 8a und 8b dargestellten Ausführungs¬ beispiel ist das Glasfaserbündel 7 derart aufgefächert, daß die einzelnen Glasfasern 71 auf dem Mantel eines Ke¬ gels liegen, dessen Öffnungswinkel derart bemessen ist, daß das aus dem Reflektor 4 austretende Licht annähernd senkrecht in die Eintrittsflächen 72 der Glasfasern ein¬ tritt. Durch Verschiebung des Glasfaserbündels 7 und/oder der Lampe 3 nebst Reflektor 4 können die Einkoppelungsbe- dingungen bei kurzem Verschiebeweg feinfühlig eingestellt werden, so daß sich ein großer Regelbereich bei geringem mechanischem Aufwand ergibt.