DE19741616A1 - Active illumination device for endoscope - Google Patents

Active illumination device for endoscope

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DE19741616A1
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Abstract

The device includes a light source, condensers (2,4) and a projection lens (6) directed via illumination channels to a filed of vision. An optical element (3) with a matrix structure and selectively controllable reflection, absorption or dispersion is provided in the beam path between the condensers. The optical element may be a polymer film liquid crystal (PFLC) film. An Independent claim for an active illumination device for an endoscope with a fiber bundle is also included.

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.The invention relates to an adaptive lighting device with at least a light source, the radiation of which by means of a condenser and Projection optics over a variety of lighting channels on one Field of view is directed, each with one or more lighting channels one lighting field is assigned to each within the field of vision and where the entirety of the lighting fields completely fills the field of vision.

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.A facility of the above Art is described in DE 32 42 716 C2 and is used for more uniform illumination of body cavities an endoscope. To do this, either the lighting focus of a Light source can be moved out of the central direction or it analogous to this, there can be a movable diaphragm which is between the light source and a condenser lens is arranged. For guiding light a fiber bundle can also be used. To a more defined light distribution than is possible with only one light source, the known device can also have multiple light sources have appropriate collector lenses and brightness controls. This designed the entire facility very complex and enables nevertheless, in rare cases, the complete annihilation of all, almost punctiform reflections that arise on moist tissue surfaces. However, the latter disrupt those recorded with CCD cameras Photos.

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. It is therefore an object of the present invention to be an adaptive Lighting device of the above Kind of creating what with just one the only light source is a selective one that can be divided as finely as possible Illumination of a scene enables.  

Diese Aufgabe wird durch eine nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildete Beleuchtungseinrichtung gelöst.This object is achieved by a method according to the features of claim 1 trained lighting device solved.

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.The lighting device according to the invention uses a Optical element with a matrix structure and selectively controllable Reflection and / or absorption and / or scattering in parallel Beam path of the condenser. Such an optical element has advantageously a polymer film with liquid crystal droplets, which is known as a so-called PDLC film. Such films are in the Normal state opaque and only become electrical when activated transparent. This has compared to other electrically controllable optical Elements whose reflection, absorption or scatter can be changed Advantage that, regardless of the switching state of the optical element, only a small part of the light in the optical element itself in heat is converted; rather is used to reduce the brightness corresponding part of the light is scattered out of the beam path and can be used on other, less thermally sensitive and better coolable Parts of the lighting device are directed. Due to the matrix The lighting pattern can also be divided with just one Structure the light source much more finely than with the known ones Facilities. The high reaction speed of electrical controllable optical elements with selective reflection, absorption or scattering also enables a uniform, reflection-free Illumination of a rapidly changing scene.

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. It is particularly advantageous if each measuring field has a measuring channel assigned to the detection of backscattered radiation from the scene, which then the control signals for one or more matrix fields of the generated optical element. However, several can be used Illumination fields each have a measuring channel for recording the backscattered Radiation assigned.  

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.The adaptive lighting mentioned above can be used for fast moving Use scenes when the matrix fields of the optical element by means of the image signals of a spatially permanently assigned field of view Imager, e.g. B. a CCD camera are controllable. By itself Known control and regulation methods can then be quasi in real time optimal brightness distribution, contrast optimization and Achieve reflection suppression.

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.The known condenser systems can then be used for the light guidance in Connection with ordered or undirected fiber bundles for Application come. The use of the latter undirected Fiber bundle is made possible primarily because the assignment between of the fiber influencing an illumination field to the respective, the coupled-in brightness influencing matrix of the optical element is electrically or software realizable.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:The invention is based on the partial in the figures schematically illustrated embodiments described in more detail. It demonstrate:

Fig. 1 eine adaptive Beleuchtungseinrichtung für endoskopische Zwecke mit einem matrixförmig aufgebauten optischen Element in einem Kondensorlinsensystem, Fig. 1 is an adaptive lighting device for endoscopic purposes with a matrix-like optical element constructed in a condenser lens,

Fig. 2 eine adaptive Beleuchtungseinrichtung für endoskopische Zwecke unter Verwendung von Faserkegeln zur Ausleuchtung eines matrixförmig aufgebauten optischen Elementes und Fig. 2 shows an adaptive lighting device for endoscopic purposes using fiber cones for illuminating a matrix-shaped optical element and

Fig. 3 eine adaptive Beleuchtungseinrichtung unter Verwendung eines ungeordneten Faserbündels. Fig. 3 is an adaptive illumination device using a disordered fiber bundle.

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.In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the radiation from a light source is fed via a disordered fiber bundle 1 to a two-lens condenser system, the first lens 2 of which is used to generate a parallel beam path and to illuminate a matrix-shaped optical element 3 with selectively controllable scattering. This optical element 3 has a PDLC film which essentially consists of a transparent polymer matrix in which the smallest liquid crystal droplets are dispersed. The film is provided on both sides with transparent, electrically conductive coatings (ITO layers) which, depending on the desired lighting pattern, are divided into square, hexagonal or other area-covering patterns and electrically contacted. A voltage between 20 and 80 V can be applied to the individual, separated surfaces of the contact layer, which switches the controlled area of the optical element 3 more or less transparently. The essentially parallel light emanating from the condenser lens 2 can then pass through this transparent surface segment unhindered and is coupled into an ordered fiber bundle 5 by a second condenser lens 4 . This fiber bundle 5 serves to transmit the light in an endoscope (not shown), the illumination pattern generated on the end face on the entry side being retained due to the order of the fibers and being imaged on a scene 7 via projection optics 6 at the exit end of the fiber bundle 5 . A spherical lens is advantageously suitable as projection optics 6 , on the surface of which the light emerging from the fiber bundle 5 appears as vertically as possible.

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.The control of the optical element 3 is carried out by control electronics 8 , which processes the video signals of a video camera 9 , which in turn the image of the scene 7 via an endoscopic optics 10 , z. B. also receives an ordered fiber bundle. The control device 8 processes video signals according to known algorithms. B. extremely high brightness values represent corresponding control signals for the corresponding matrix field of the optical element 3 such that there is a corresponding reduction in transparency and thus ultimately a reduction in illuminance in the field of scene 7 assigned to the matrix field, in which the extreme value the brightness occurred. A contrast optimization can also be achieved by comparing neighboring pixels and correspondingly controlling the optical element 3 . The scene 7 illuminated in such an adaptive manner can then be viewed on a monitor 11 .

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.In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, as in FIG. 1, the light from a light source is expanded via a disordered fiber bundle 21 by means of a fiber cone 22 (taper), the wider end face of the fiber cone being directly connected to an optical element 23 according to FIG. 1 connected is. On the opposite side, the optical element 23 is connected to the broad end face of a second fiber cone 24 , which forwards the illumination pattern of the optical element 23 and couples it into an ordered fiber bundle 25 and emits it via a projection optics 26 . In this way, the illumination pattern generated by the optical element 23 is retained and can thus adaptively illuminate the scene 27, as in the exemplary embodiment according to FIG. 1.

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.The endoscopic applications shown in FIGS. 1 and 2 can be varied in many ways. For example, the light source can be arranged directly in front of the condenser lens 2 or the fiber cone 22 . A gradient lens rod can also be used instead of the ordered fiber bundle 5 or 25 .

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.If the projection optics of the illumination device and the endoscope optics are at a greater distance, the optical axis of the illumination device can assume a certain angle to the viewing direction of the endoscope (camera 9 with endoscopic optics 10 ).

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.If the scene to be illuminated is less cramped than in the endoscopic use cases described in FIGS. 1 and 2, the light supplied via an unordered fiber bundle 31 can, according to FIG. 3, be expanded in a taper 32 and locally attenuated in a matrix-controlled optical system Element 33 are imaged directly onto the scene 37 to be illuminated via a projection optical system 36 .

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.Instead of the optical element with controllable scattering described above, a conventional liquid crystal matrix using polarized light can also be used. For optical or structural reasons, the optical element 3 can also be arranged with a mirror layer behind the matrix fields and thus enable, for example, rectangular beam guidance.

Ein optisches Element mit selektiv ansteuerbarer Reflexion läßt sich auch durch ein Matrixfeld aus in ihrer Ebene jeweils schwenkbarer kleiner Spiegel realisieren.An optical element with selectively controllable reflection can also be used through a matrix field made smaller in each case pivotable in their plane Realize mirrors.

Claims (8)

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.1. Adaptive lighting device with at least one light source, the radiation of which by means of a condenser ( 2 , 4 ; 22 , 24 ; 32 ) and projection optics ( 6 , 26 , 36 ) via a plurality of lighting channels ( 5 , 25 , 35 ) onto a field of view ( 7 , 27 , 37 ) is directed, with one or more lighting channels each being assigned a lighting field within the field of vision and the entirety of the lighting fields completely filling the field of vision, characterized in that an optical element constructed in the form of a matrix in the directed beam path of the condenser ( 3 , 23 , 33 ) is arranged with selectively controllable reflection and / or absorption and / or scatter and that one matrix field of the optical element is assigned to one or more lighting channels. 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.2. Lighting device according to claim 1, characterized in that at least some of the lighting fields are each assigned a measuring channel for detecting backscattered radiation, which generates control signals for one or more matrix fields of the optical element ( 3 , 23 , 33 ). 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.3. Lighting device according to claim 1 or 2, characterized in that the matrix fields of the optical element ( 3 , 23 , 33 ) can be controlled by means of the image signals of an image sensor ( 9 , 10 ) spatially assigned to the field of view. 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. 4. Lighting device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the optical element ( 3 , 23 , 33 ) has a polymer film with liquid crystal droplets (PDLC film). 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).5. Adaptive lighting device, in particular for an endoscope, characterized by, seen in the beam direction, the following elements:
a light source,
a first condenser lens ( 2 ) or a first fiber cone (taper 22 ),
a matrix-shaped optical element ( 3 , 23 , 33 ) with selectively controllable reflection and / or absorption and / or scatter,
a second condenser lens ( 4 ) or a second fiber cone (taper 24 ),
an ordered optical fiber bundle ( 5 ) or a gradient rod lens and projection optics ( 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).6. Adaptive lighting device, in particular for an endoscope, characterized by, seen in the beam direction, the following elements:
a light source
an undirected fiber bundle ( 31 )
a matrix-shaped optical element ( 33 ) with selectively controllable reflection and / or scattering and
projection optics ( 36 ). 7. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsoptik eine Kugeloptik (6) ist.7. Lighting device according to claim 5 or 6, characterized in that the projection optics are spherical optics ( 6 ). 8. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbündel (5, 25) am distalen Ende in die Blickrichtung des Endoskopes ausgerichtet ist.8. Lighting device according to claim 5 or 6, characterized in that the fiber bundle ( 5 , 25 ) is aligned at the distal end in the viewing direction of the endoscope.
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