DE10136419A1 - Optisches System für eine Lichtquellenvorrichtung eines Videoendoskopsystems - Google Patents

Optisches System für eine Lichtquellenvorrichtung eines Videoendoskopsystems

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Abstract

Ein Videoendoskopsystem hat als Hauptkomponenten ein mit einem Lichtleiter ausgestattetes Vidioendoskop, eine Lichtquellenvorrichtung, die dem Lichtleiter Beleuchtungslicht und Anregungslicht zuführt, sowie einen Endoskopprozessor, der Bildsignale verarbeitet und die Lichtquellenvorrichtung steuert. Die Lichtquellenvorrichtung besteht aus einer Weißlichtquelle zum Erzeugen eines kollimierten, aus Weißlicht bestehenden Strahls, einer Ultraviolettlichtquelle zum Erzeugen eines Strahls mit im Ultraviolettbereich liegenden Wellenlängen und einem UV-Reflexionsfilter, der das Weißlicht durchlässt und das Ultraviolettlicht reflektiert. In dem für die Lichtquellenvorrichtung bestimmten optischen System ist das UV-Reflexionsfilter sowohl gegenüber dem kollimierten Strahl aus Weißlicht als auch dem kollimierten Strahl mit im Ultraviolettbereich liegenden Wellenlängen unter einem Winkel von 45 DEG angeordnet, wobei sich die beiden kollimierten Strahlen senkrecht schneiden.

Description

Die Erfindung betrifft ein in medizinischen Anwendungen eingesetztes Videoen­ doskopsystem, mit dem man Bilder der Oberfläche des mit sichtbarem Licht beleuchteten Objektes sowie Objektbilder erhält, die sich aus der aus Anregungs­ licht resultierenden Autofluoreszenz ergeben. Im engeren Sinne betrifft die Erfin­ dung ein optisches System für eine das Beleuchtungslicht und das Anregungslicht erzeugende Lichtquellenvorrichtung, welches das jeweilige Licht dem Videoendo­ skop zuführt.
In den vergangenen Jahren wurde ein Verfahren entwickelt, um die Autofluores­ zenz eines Objektes, insbesondere einer Körperhöhlenwand mit einem Videoen­ doskopsystem zu betrachten. In einer mit Licht einer bestimmten Wellenlänge, üblicherweise Ultraviolettlicht, bestrahlten Körperhöhlenwand werden das Gewebe zur Aussendung von Fluoreszenzstrahlung angeregt. Die Intensität der von ge­ sundem Gewebe erzeugten Fluoreszenz ist stärker als die von erkranktem, z. B. von Krebs befallenem Gewebe. Dies führt zu einer entsprechenden Intensitäts­ verteilung der Autofluoreszenz in der Körperhöhle, wenn letztere erkranktes Gewebe enthält. Durch das Aufnehmen von Bildern der aus der Körperhöhle stammenden Autofluoreszenzstrahlung mit einer Festkörper-Bilderfassungs­ vorrichtung, kurz CCD, des Videoendoskops ist es möglich, spezielle Bilder der Körperhöhlenwand zu betrachten, die sich von denjenigen Bildern der Körper­ höhlenwand unterscheiden, die man mit einer Normalbeleuchtung mit sichtbarem Licht erhält.
Als ein solches Videoendoskopsystem, das die Fluoreszenzbetrachtung ermög­ licht, wird ein nach dem sogenannten RGB-Zeitfolgeverfahren arbeitendes System eingesetzt, das versehen ist mit einem rotierenden RGB-Blende, das von einer Lichtquelle abgestrahltes Weißlicht, also sichtbares Licht, in eine rote, eine grüne oder eine blaue Lichtkomponente trennt, einer Beleuchtungsoptik, die nacheinan­ der das rote, das grüne und das blaue Licht an das proximale Ende des Videoen­ doskops leitet, sowie eine Ultraviolettlichtquelle, die zur Anregung der Körperhöh­ lenwand bestimmtes Ultraviolettlicht in die oben genannte Beleuchtungsoptik führt. Fig. 7 zeigt den optischen Aufbau einer Lichtquellenvorrichtung 60 eines solchen Videoendoskopsystems. Fig. 8 ist die Vorderansicht einer rotierenden RGB-Blende 603 und einer rotierenden UV-Blende 609, die in der Lichtquellenvor­ richtung 60 vorgesehen sind.
Wie in Fig. 7 gezeigt, besteht die Lichtquellenvorrichtung 60 aus einer Weißlicht­ quelle 601, einem Infrarot-Sperrfilter 602, der rotierenden RGB-Blende 603, einem UV-Reflexionsfilter 604, einer Aperturblende 605, einer Kondensorlinse 606, einer Ultraviolettlichtquelle 607, einem UV-Transmissionsfilter 608, der rotierenden UV- Blende 609 und einem Spiegel 610.
Die rotierende RGB-Blende 603 ist, wie in den Fig. 7 und 8A gezeigt, eine koaxial auf einer Antriebswelle eines Motors 603a montierte Scheibe, an der drei fächer­ förmige Fenster ausgebildet sind, in denen ein rotes, grünes bzw. ein blaues Filter 603b bis 603d angeordnet sind. Die Filter 603b bis 603d sind Bandpassfilter, die rotes, grünes bzw. blaues Licht durchlassen und in vorbestimmten Abständen auf dem gleichen Kreis koaxial zum äußeren Scheibenrand angeordnet sind. Die Filter 603b und 603d belegen innerhalb des genannten Kreises nahezu die Fläche eines Halbkreises.
Wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt, ist die rotierende UV-Blende 609 eine koaxial auf einer Antriebswelle eines Motors 609a montierte Scheibe, an der eine fächerför­ mige Ausnehmung ausgebildet ist, deren Scheitel oder Spitze mit der Scheiben­ mitte zusammenfällt. Der Mittelpunktswinkel der Ausnehmung 609b ist etwas kleiner als 180°.
Wie aus Fig. 7 hervorgeht, werden dem aus der Weißlichtquelle 601 abgestrahl­ ten kollimierten Weißlichtstrahl durch das Infrarot-Sperrfilter 602 eine im Infrarot­ bereich liegende Wellenlängenkomponente entzogen. Der Strahl wird dann von einem an der RGB-Blende 603 vorgesehenen Filter 603b bis 603d und anschlie­ ßend von dem UV-Reflexionsfilter 604 durchgelassen, worauf seine Lichtmenge von der Aperturblende 605 geeignet eingestellt wird. Schließlich wird der Strahl von der Kondensorlinse 606 auf eine proximale Endfläche 70a eines Lichtleiters 70 des Videoendoskops fokussiert.
Der kollimierte Lichtstrahl, der aus den im Ultraviolettbereich liegenden, von der Ultraviolettlichtquelle 607 parallel zu dem kollimierten Weißlichtstrahl ausgesen­ deten Wellenlängen besteht, wird von dem UV-Transmissionsfilter 608 so gefiltert, dass er einen kollimierten Strahl mit Wellenlängen ausschließlich im Ultraviolett­ bereich bildet, der durch die an der rotierenden UV-Blende 609 ausgebildete Ausnehmung 609b tritt und dann nacheinander an dem Spiegel 610 und dem UV- Reflexionsfilter 604 so reflektiert wird, dass sein Strahlengang so eingestellt wird, dass er dem Strahlengang des kollimierten Weißlichtstrahls folgt. Anschließend wird die Lichtmenge des Ultraviolettstrahls von der Aperturblende 605 auf einen geeigneten Wert eingestellt und der Strahl durch die Kondensorlinse 606 auf die proximale Endfläche 70a des Lichtleiters 70 fokussiert.
Die RGB-Blende 603 und die UV-Blende 609 werden von den Motoren 603a bzw. 609a gedreht, deren Geschwindigkeiten und Rotationsphasen so gesteuert wer­ den, dass ein aus einer blauen Lichtkomponente bestehender Strahl, ein aus einer grünen Lichtkomponente bestehender Strahl, ein aus einer roten Lichtkom­ ponente bestehender Strahl und ein Strahl mit Wellenlängen im Ultraviolettbereich nacheinander auf die proximale Endfläche des Lichtleiters 70 treffen. In Fig. 9 ist schematisch dargestellt, wie die jeweiligen Strahlen auf die Kondensorlinse 606 treffen. In Fig. 9 gibt das durch die beiden gestrichelten Linien festgelegte Intervall die Zeit an, in der die rotierende Blende 603 und die rotierende Blende 609 in Synchronisation zueinander eine Umdrehung vollziehen, wobei die Linien der Erhebungen in dem Graphen Zeiten angeben, in denen der kollimierte Weißlicht­ strahl auf eines der RGB-Filter 603b bis 603d trifft bzw. eine Zeit, in der ein aus dem Ultraviolettbereich liegenden Wellenlängen bestehender kollimierter Strahl in die Ausnehmung 609b strömt. Das auf den jeweiligen Linien erscheinende Sym­ bol x gibt eine Dunkelzeit an, in der kein Strahl auf die Kondensorlinse 606 trifft.
Wie aus Fig. 9 hervorgeht, treffen während des Rotierens der Filter 603 und 609 blaues, grünes, rotes und ultraviolettes Licht nacheinander auf die Kondensorlinse 606. Da die an dem UV-Filter 609 ausgebildete fächerförmige Ausnehmung 609b einen größeren Mittelpunktswinkel als jedes der an dem RGB-Filter 603 ausgebil­ deten Fenster hat, ist die Zeit, in der das ultraviolette Licht auf die Kondensorlinse 606 trifft, länger als jeder der auf das blaue Licht, das grüne Licht bzw. das rote Licht bezogenen Zeitabschnitte.
Das Licht jeder Farbe, das über die proximale Endfläche 70a in den Lichtleiter 70 gelangt, wird durch diesen an dessen distale Endfläche geleitet, um die Körper­ höhlenwand über eine Zerstreuungslinse zu beleuchten oder zu bestrahlen, die an dem distalen Ende des Videoendoskops angebracht ist (in Fig. 7 nicht dargestellt). Eine nicht dargestellte Objektivoptik erzeugt Bilder der nacheinander mit blauem Licht, grünem Licht und rotem Licht bestrahlten Körperhöhlenwand. Ferner wird ein von der Objektivoptik erzeugtes Autofluoreszenzbild der durch das ultraviolette Licht angeregten Körperhöhlenwand sequenziell von einer in dem Videoendoskop installierten CCD aufgenommen, in elektronische Signale gewandelt und an eine Bildsignalverarbeitungsschaltung gesendet, die in einem Endoskopprozessor vorgesehen ist (in Fig. 7 nicht dargestellt).
In der Optik der oben erläuterten Lichtquellenvorrichtung 60 sind die beiden Lichtquellen 601, 607 nebeneinander angeordnet, so dass der kollimierte Weiß­ lichtstrahl und der aus den im Ultraviolettbereich liegenden Wellenlängen beste­ hende kollimierte Strahl parallel zueinander verlaufen. Diese beiden kollimierten Lichtstrahlen werden über den Spiegel 610 und das UV-Reflexionsfilter 604 in einen gemeinsamen Strahlengang geleitet. Die beiden Strahlen teilen sich also die Aperturblende 605 und die Kondensorlinse 606.
Ein Aufbau, bei dem zwei von zwei Lichtquellen 601, 607 ausgesendete kolli­ mierte Lichtstrahlen parallel zueinander verlaufen, erfordert jedoch eine große Gesamtanzahl an optischen Elementen. Dadurch werden Masse und Raumbedarf der Optik und damit der gesamten Lichtquellenvorrichtung erhöht. Da ferner einige optische Elemente wie Spiegel erforderlich sind, um die Strahlen mehrfach zu reflektieren, erfordert das Einstellen der optischen Achsen der Optik eine über­ mäßig lange Zeit.
Ferner ist es erforderlich, dass das in Fig. 7 gezeigte UV-Reflexionsfilter 604 den Weißlichtstrahl effizient durchlässt und den aus den im Ultraviolettbereich liegen­ den Wellenlängen bestehenden Strahl effizient reflektiert, da ansonsten keine zum Beleuchten oder Anregen des Objektes, d. h. der Körperhöhlenwand, ausrei­ chende Lichtmenge in den Lichtleiter 70 geleitet wird.
Hauptaufgabe der Erfindung ist es, ein optisches System für eine für ein Videoen­ doskop bestimmte Lichtquellenvorrichtung anzugeben, durch die der mit der Lichtquellenvorrichtung beabsichtigte Zweck mit einer geringeren Anzahl an optischen Elementen als bisher erreicht wird und die es einer Bedienperson erlaubt, die optischen Achsen einfach und vergleichsweise schnell ohne übermä­ ßigen Zeitaufwand einzustellen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein opti­ sches System für eine Lichtquellenvorrichtung anzugeben, bei der ein UV- Reflexionsfilter einen Weißlichtstrahl effizient durchlässt, während es einen aus im Ultraviolettbereich liegenden Wellenlängen bestehenden Strahl ebenso effizient reflektiert.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch das optische System mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung tritt der erste kollimierte Lichtstrahl, der von der Lichtquelle für sichtbares Licht abgestrahlt worden ist und im sichtbaren Bereich liegende Wellenlängen hat, durch das UV-Reflexionsfilter und gelangt so zur Kondensorlinse, während der zweite kollimierte Lichtstrahl mit seinen im Ultraviolettbereich liegenden Wellenlängen an dem UV-Reflexionsfilter reflektiert und so um 90° umgelenkt und auf die Kondensorlinse geführt wird. Der zweite kollimierte Lichtstrahl, dessen Wellenlängen im Ultraviolettbereich liegen, wird also nur einmal reflektiert, um ihn auf die Kondensorlinse zu führen, so dass die Zahl der optischen Elemente verringert werden kann. Auf diese Weise vereinfacht sich das Einstellen der optischen Achsen.
Da das UV-Reflexionsfilter gegenüber beiden kollimierten Lichtstrahlen unter einem Winkel von 45° geneigt ist, lässt dies den ersten kollimierten Lichtstrahl, dessen Wellenlängen im sichtbaren Bereich liegen, durch, während es den zwei­ ten kollimierten Lichtstrahl, der aus im Ultraviolettbereich liegenden Wellenlängen besteht, effizient reflektiert. Diese Ausgestaltung des optischen Systems ermög­ licht es, in den Lichtleiter eine ausreichende Lichtmenge zur Beleuchtung oder zur Anregung des Objektes, d. h. der Körperhöhlenwand, einzuleiten.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 den inneren Aufbau eines Videoendoskopsystems mit einem Aus­ führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lichtquellenvorrichtung,
Fig. 2 den optischen Aufbau der Lichtquellenvorrichtung,
Fig. 3A die Vorderansicht einer rotierenden RGB-Blende der Lichtquellenvor­ richtung,
Fig. 3B die Vorderansicht einer rotierenden UV-Blende der Lichtquellenvor­ richtung,
Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Schaltung des Endoskopprozessors,
Fig. 5 die konkrete Anordnung des UV-Reflexionsfilters, eines Infrarot- Sperrfilters und des UV-Transmissionsfilters,
Fig. 6 einen Graphen mit der spektralen Reflexionscharakteristik des UV- Reflexionsfilters, wenn der Strahl unter einem Eintrittswinkel von 45° auf die Fläche des UV-Reflexionsfilters trifft,
Fig. 7 den optischen Aufbau einer Lichtquellenvorrichtung in einem her­ kömmlichen Videoendoskopsystem,
Fig. 8A die Vorderansicht der rotierenden RGB-Blende in der herkömmlichen Lichtquellenvorrichtung,
Fig. 8B die Vorderansicht einer rotierenden UV-Blende in der herkömmlichen Lichtquellenvorrichtung, und
Fig. 9 ein Zeitdiagramm mit den Durchlassphasen der in der herkömmli­ chen Lichtquellenvorrichtung auf eine Kondensorlinse treffenden Strahlen der jeweiligen Wellenlängen.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lichtquellenvorrichtung beschrieben.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein elektronisches Endoskopsystem 1, das ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lichtquellenvorrichtung enthält.
Das Videoendoskopsystem 1 besteht aus einem Videoendoskop 10, das mit seinem distalen Ende 10a in die Körperhöhle eines Patienten eingeführt wird, eine Lichtquellenvorrichtung 20, die im Videoendoskop 10 Beleuchtungslicht und Anregungslicht zuführt, einen Endoskopprozessor 30, der die Lichtquellenvorrich­ tung 20 steuert sowie Bildsignale von dem Videoendoskop 10 empfängt und verarbeitet, und eine Eingabevorrichtung 40, die mit verschiedenen Bedientasten und Schaltern ausgestattet ist. Von den genannten Komponenten sind die Licht­ quellenvorrichtung 20, der Endoskopprozessor 30 und die Eingabevorrichtung 40 in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
Der Endoskopprozessor 30 hat eine Zeitsteuerung 31 zum Synchronisieren des Beleuchtungslichtes, des Anregungslichtes und der Bildsignale, eine Bildsignal­ verarbeitungsschaltung 32, welche die von dem Videoendoskop 10 stammenden Bildsignale so verarbeitet, dass diese in RGB-Bildsignale gewandelt und dann einen Monitor 50 ausgegeben werden, und eine Systemsteuerung 33, die das Endoskopsystem 1 gemäß den über die Eingabevorrichtung 40 eingegebenen Befehlen steuert.
Das Videoendoskop 10 hat ein an die Lichtquellenvorrichtung 20 angeschlosse­ nes Lichtleitfaserbündel 11, das im Folgenden kurz als Lichtleiter bezeichnet wird, eine Zerstreuungslinse 12, die für eine weite Verteilung des durch den Lichtleiter 11 geführten Beleuchtungs- und Anregungslichtes sorgt, eine Objektivoptik 13 zum Erzeugen eines Bildes des Objektes, d. h. der Körperhöhlenwand, eine Fest­ körper-Bilderfassungsvorrichtung 14, kurz CCD, die nahe einer Bildebene der Objektivoptik 13 angeordnet ist und ein Bild der Körperhöhlenwand aufnimmt, eine Signalleitung 15, durch die Übertragungsimpulse zur Ansteuerung der CCD 14 gesendet und durch die Bildsignale an die Bildsignalverarbeitungsschaltung 32 übertragen werden, einen Biegemechanismus zum Biegen des distalen Endes 10a und des diesem benachbarten Abschnittes (in Fig. 1 nicht dargestellt), einen mit verschiedenen Tasten, Schaltern und einem Rad zum Betätigen des Biege­ mechanismus ausgestatteten Bedienteil 16 sowie eine Signalleitung 17, durch die verschiedene Signale von dem Bedienteil 16 an die Systemsteuerung 33 übertra­ gen werden.
Fig. 2 zeigt den optischen Aufbau der Lichtquellenvorrichtung 20. Die Lichtquel­ lenvorrichtung 20 besteht aus einer Weißlichtquelle 21, einer rotierenden RGB- Blende (RGB-Filter) 22, einem Infrarot-Sperrfilter 23, einem UV-Reflexionsfilter 24, einer Aperturblende 25, einer Kondensorlinse 26, einer Ultraviolettlichtquelle 27, einer rotierenden UV-Blende (UV-Filter) 28 und zwei UV-Transmissionsfiltern 29a, 29b, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist.
Die Weißlichtquelle 21 hat eine Xenonlampe 21a, die Weißlicht als für Normalbe­ trachtungen bestimmtes Beleuchtungslicht abstrahlt, und einen Reflektor 21b, der mit seiner Innenfläche das von der Xenonlampe 21a abgestrahlte Weißlicht so reflektiert, dass daraus ein kollimierter, d. h. paralleler Lichtstrahl wird. Die Ultra­ violettlichtquelle 27 hat eine Ultraviolettlampe 27a, die das Objekt, d. h. die Kör­ perhöhlenwand zum Erzeugen von Autofluoreszenz anregendes Ultraviolettlicht abstrahlt, und einen Reflektor 27b, der das von der Ultraviolettlampe 27a abge­ strahlte Ultraviolettlicht an seiner Innenfläche so reflektiert, dass dieses zu einem kollimierten Lichtstrahl wird. Die Weißlichtquelle 21 und die Ultraviolettlichtquelle 27 sind so angeordnet, dass die Richtung, in der die Weißlichtquelle 21 den kollimierten Weißlichtstrahl, und die Richtung, in der die Ultraviolettlichtquelle 27 den kollimierten Ultraviolettlichtstrahl abstrahlt, rechtwinklig zueinander verlaufen.
Der kollimierte Strahl des von der Weißlichtquelle 21 abgestrahlten Weißlichtes, im Folgenden als "kollimierter Weißlichtstrahl" bezeichnet, wird von der später beschriebenen rotierenden RGB-Blende 22 mit im Infrarotbereich liegenden Wellenlängenkomponenten, die von dem Infrarot-Sperrfilter 23 zu entfernen sind, und von dem später beschriebenen UV-Reflexionsfilter 24 durchgelassen. An­ schließend wird der kollimierte Weißlichtstrahl von der Aperturblende 25 so einge­ stellt, dass er einen geeigneten Strahldurchmesser hat, und durch die Kondensor­ linse 26 auf die proximale Endfläche 11a des Lichtleiters 11 fokussiert.
Der kollimierte Lichtstrahl, der aus im Ultraviolettbereich liegenden, von der Ultra­ violettlichtquelle ausgesendeten Wellenlängen besteht und den kollimierten Weiß­ lichtstrahl im rechten Winkel kreuzt, wird von der später beschriebenen rotieren­ den UV-Blende 28 durchgelassen, durch die UV-Transmissionsfilter 29a, 29b so gefiltert, dass er nur aus im Ultraviolettbereich liegenden Wellenlängenkompo­ nenten besteht, und an dem später beschriebenen UV-Reflexionsfilter 24 reflek­ tiert. Der eben genannte Lichtstrahl wird im Folgenden als "kollimierter Ultraviolett­ lichtstrahl" bezeichnet. Der kollimierte Ultraviolettlichtstrahl wird dann von der Aperturblende 25 so eingestellt, dass er einen geeigneten Strahldurchmesser hat, und durch die Kondensorlinse 26 auf die proximale Endfläche 11a des Lichtleiters 11 fokussiert.
Fig. 3A zeigt eine Vorderansicht der rotierenden RGB-Blende 22, während Fig. 3B eine Vorderansicht der rotierenden UV-Blende 28 zeigt. Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, ist die rotierende RGB-Blende 22 eine koaxial an einer Antriebswelle eines Motors 22 montierte Scheibe, auf der drei fächerförmige Fenster ausgebil­ det sind. Die Scheitel oder Spitzen der jeweiligen fächerförmigen Fenster fallen mit der Scheibenmitte zusammen. In den Fenstern sind ein rotes, ein grünes und ein blaues Filter 22c, 22d bzw. 22e angebracht. Die Filter 22c bis 22e sind Band­ passfilter, die von den Wellenlängenbereichen Rot (R), Grün (G) und Blau (B) jeweils nur einen Wellenlängenbereich durchlassen. Die Filter 22c bis 22e sind in vorbestimmten Abständen nebeneinander auf dem gleichen Kreis angeordnet, dessen Mitte mit der Scheibenmitte zusammenfällt. Die Filter 22c bis 22e sind so angeordnet, dass sie einen nahezu halbkreisförmigen Abschnitt gleichen Durch­ messers belegen. Wird die RGB-Blende 22 von dem Motor 22a gedreht, so wer­ den das rote, das grüne und das blaue Filter 22c bis 22e wiederholt in den Strah­ lengang des von der Weißlichtquelle 21 abgestrahlten kollimierten Weißlicht­ strahls gebracht, und zwar in der Abfolge R-G-B. Der kollimierte Weißlichtstrahl wird so sequenziell umgewandelt in einen Strahl, der nur aus im roten Wellenlän­ genbereich liegendem Licht, also Rotlicht besteht, in einen Strahl, der nur aus in dem grünen Wellenlängenbereich liegendem Licht, also Grünlicht besteht, und in einen Strahl, der nur aus in dem blauen Wellenlängenbereich liegendem Licht, also Blaulicht besteht. Das Rot-, das Grün- und das Blaulicht treten durch das UV- Reflexionsfilter 24 und werden dann durch die Kondensorlinse 26 in sich wieder­ holender Folge auf die proximale Endfläche 11a des Lichtleiters 11 fokussiert.
Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, ist die rotierende UV-Blende 28 eine auf einer Antriebswelle eines Motors 28a koaxial montierte Scheibe, auf der eine fächer­ förmige Ausnehmung 28c ausgebildet ist. Der Scheitel oder die Spitze der fä­ cherförmigen Ausnehmung 28c fällt mit der Scheibenmitte zusammen. Der vom Bogen der Ausnehmung 28c aufgespannte Mittelpunktswinkel ist etwas kleiner als 180°. Wird die UV-Blende 28 von dem Motor 28a gedreht, so wird die Ausneh­ mung 28c wiederholt in den Strahlengang des von der Ultraviolettlichtquelle abge­ strahlten kollimierten Ultraviolettlichtstrahls eingeführt. Der kollimierte Ultraviolett­ lichtstrahl gelangt so intermittierend in das UV-Reflexionsfilter 24, an dem er reflektiert wird, und wird dann durch die Kondensorlinse 26 auf die proximale Endfläche 11a des Lichtleiters 11 fokussiert.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, ist dem Außenrand der rotierenden RGB-Blende 22 ein Sensor 22b und dem Außenrand der rotierenden UV-Blende 28 ein Sensor 28b zugeordnet, um den Drehzustand der jeweiligen Blende zu erfassen. Die Sensoren 22 und 28 sind an eine Zeitsteuerung 31 angeschlossen, die so eine Steuerung bildet, die eine auf die Rotation der Blenden 22 und 28 bezogene Information an eine auf die rotierenden Blenden bezogene Steuerschaltung 312, im folgenden als Drehblenden-Steuerschaltung bezeichnet, ausgibt (vgl. Fig. 4), die ein Teil der Zeitsteuerung 31 ist. Die Motoren 22a und 28a sind an die Dreh­ blenden-Steuerschaltung 312 angeschlossen, die deren Geschwindigkeit und Rotationsphase so steuert, dass das durch die Kondensorlinse 26 fokussierte Rot-, Grün-, Blau- und Ultraviolettlicht sequenziell auf die proximale Endfläche 11a des Lichtleiters 11 trifft.
Die Aperturblende 25 ist elektrisch mit einer in der Systemsteuerung 33 des Endoskopprozessors 30 vorgesehenen Aperturblenden-Steuerschaltung 333 verbunden (vgl. Fig. 4). Die Lichtmenge des in die Kondensorlinse 26 gelangen­ den Rot-, Grün-, Blau- und Ultraviolettlichtes wird über die Aperturblende 25 eingestellt, die von der Systemsteuerung 33 (Aperturblenden-Steuerschaltung 333) gesteuert wird.
Fig. 4 zeigt den internen Aufbau des Endoskopprozessors 30 in einem Blockdia­ gramm. Die Zeitschaltung 31 enthält eine Zeitsignalschaltung 311, die Drehblen­ den-Steuerschaltung 312 und einen CCD-Treiber 313. Die Zeitsignalschaltung 311 erzeugt Synchronisationsimpulssignale, die das Beleuchtungslicht, das Anre­ gungslicht und Bildsignale miteinander synchronisieren. Die Drehblenden- Steuerschaltung 312 steuert die Motoren 22a und 28a so an, dass diese die RGB- Blende 22 bzw. die UV-Blende 28 entsprechend den von den Sensoren 22b bzw. 28b erfassten Rotationszuständen antreiben. Der CCD-Treiber 313 sendet in Erwiderung auf das von der Zeitsignalschaltung 311 empfangene Synchronisati­ onsimpulssignal einen Übertragungsimpuls an die CCD 14.
Die Bildsignalverarbeitungsschaltung 32 besteht aus einer Vorverarbeitungs­ schaltung 321, einem Analog/Digital-Wandler (A/D) 322, einem Speicherteil 323, einem Digital/Analog-Wandlerteil 324 (D/A), Nachverarbeitungsschaltungen 325a bis 325d sowie einem Addierer 326. Der Speicherteil 323 besteht aus einer Spei­ chereinheit 323a für das Fluoreszenz-Bildsignal, einer Speichereinheit 323b für das B-Bildsignal, einer Speichereinheit 323c für das G-Bildsignal und einer Spei­ chereinheit 323d für das R-Bildsignal. Der D/A-Wandlerteil 324 enthält den Spei­ chereinheiten 323a bis 323d zugeordnete D/A-Wandler 324a bis 324d.
Die Systemsteuerung 33 enthält eine CPU 331, eine Speichersteuerschaltung 332 und die Aperturblenden-Steuerschaltung 333. Die CPU 331 ist über Leitungen 17 an die Eingabevorrichtung 40 und den Bedienteil 16 des Videoendoskops 10 angeschlossen. Die CPU 331 bildet eine zentrale Steuerschaltung zum Steuern des gesamten Endoskopsystems 1 entsprechend den über die Eingabevorrich­ tung 40 und den Bedienteil 16 eingegebenen Befehlen. Die Speichersteuerschal­ tung 332 steuert die Speichereinheiten 323a bis 323d der Bildsignalverarbei­ tungsschaltung 32. Die Aperturblenden-Steuerschaltung 333 steuert die Blenden­ grenzen der Aperturblende 25 in Erwiderung auf Bildsignale, die aus dem D/A- Wandlerteil 324 stammen.
Werden das Rotlicht, das Grünlicht, das Blaulicht und das Ultraviolettlicht sequen­ ziell in den Lichtleiter 11 über dessen proximale Endfläche 11a eingeleitet, so wird das Objekt, d. h. die Körperhöhlenwand sequenziell mit dem Rotlicht, dem Grün­ licht, dem Blaulicht und dem Ultraviolettlicht beleuchtet oder bestrahlt, wobei die eben genannten Lichtkomponenten in dem Lichtleiter geführt und von dessen distaler Endfläche ausgesendet werden. Die Objektivoptik 13 erzeugt in einer Bildebene der CCD 14 sequenziell die Bilder der mit dem Rotlicht, dem Grünlicht und dem Blaulicht beleuchteten Körperhöhlenwand sowie das Bild der durch das Ultraviolettlicht zur Autofluoreszenzerzeugung angeregten Körperhöhlenwand. Die CCD 14 wird von dem CCD-Treiber 313 angesteuert, der von der Zeitsignal­ schaltung 311 ein Synchronisationsimpulssignal empfängt, und liest sequenziell die durch das Beleuchtungslicht und das Anregungslicht erzeugten Objektbilder aus, um sie in elektrische Signale zu wandeln. Diese Signale sind also durch ein auf dem Rotlicht beruhendes R-Bildsignal, ein auf dem Grünlicht beruhendes G- Bildsignal, ein auf dem Blaulicht beruhendes B-Bildsignal und ein auf dem Ultra­ violettlicht beruhendes Fluoreszenz-Bildsignal gegeben.
Die Vorverarbeitungsschaltung 321 empfängt das R-Bildsignal, das G-Bildsignal, das B-Bildsignal und das Fluoreszenz-Bildsignal, die sequenziell von der CCD 14 ausgegeben werden, und führt an diesen Bildsignalen eine Verstärkung, eine Abtast- und Halteoperation, eine Randwertoperation (clamping) und eine Gamma­ steuerung durch. Jedes der von der Vorverarbeitungsschaltung 321 verarbeiteten Bildsignale wird dann von dem A/D-Wandler 322 in ein Digitalsignal gewandelt.
Das R-, G- und B-Bildsignal sowie das Fluoreszenz-Bildsignal, die von dem A/D- Wandler 322 sequenziell in Digitalsignale gewandelt worden sind, werden ent­ sprechend den jeweiligen aus der Speichersteuerschaltung 332 stammenden Signalen unter Befolgung der Befehle der CPU 331 auf die Speichereinheiten 323a bis 323d verteilt. Das R-, das G- und das B-Signal werden in den zugehöri­ gen Speichereinheiten 323a bis 323d temporär gespeichert und dann aus diesen gleichzeitig ausgegeben. Die von den jeweiligen Speichereinheiten 323a bis 323d ausgegebenen Digitalsignale werden dann von den zugehörigen D/A-Wandlern 324a bis 324d in Analogsignale gewandelt.
An dem R-, dem G- und dem B-Bildsignal sowie dem Fluoreszenz-Bildsignal, die in Analogsignale gewandelt worden sind, werden von den zugehörigen Nachver­ arbeitungsschaltungen 325a bis 325d verschiedene Bearbeitungsoperationen vorgenommen, wie z. B. eine Verstärkung, eine Randwertoperation (clamping), eine Austastung (blanking), eine 75 Ω-Treiberoperation etc.
Dann wird das B-Bildsignal, auf dem der Addierer 326 das Fluoreszenz-Bildsignal addiert hat, zusammen mit dem G-Bildsignal und dem R-Bildsignal an den Monitor 50 ausgegeben. Zur gleichen Zeit wird ein von der Zeitsignalschaltung 311 bereit­ gestelltes Synchronisationssignal SYNC ebenfalls an den Monitor 50 ausgegeben.
Verglichen mit dem an der Körperhöhlenwand reflektierten R-, G- und B-Licht ist die Intensität der von der Körperhöhlenwand ausgesendeten Autofluoreszenz­ strahlung äußerst schwach. Um diesen Intensitätsunterschied zu kompensieren, ist der Mittelpunktswinkel der an der rotierenden UV-Blende 28 ausgebildeten fächerförmigen Ausnehmung 28c größer als die Mittelpunktswinkel jedes der auf dem rotierenden RGB-Filter 22 ausgebildeten fächerförmigen Fenster, wie Fig. 3 zeigt. Die Dauer, während der der kollimierte Ultraviolettlichtstrahl durch die Aus­ nehmung 28c tritt und auf die Kondensorlinse 26 trifft, ist deshalb länger als die Zeit, während der der kollimierte Weißlichtstrahl in einen der Filter 22c bis 22e gelangt und als Rotlicht, als Grünlicht oder als Blaulicht auf die Kondensorlinse 26 trifft. Das Bild der die Autofluoreszenz erzeugenden Körperhöhlenwand, das die Objektivoptik 13 erzeugt und in der CCD 14 gespeicherten Ladungen angesam­ melt ist, nimmt also mehr Zeit in Anspruch als die von der Objektivoptik 13 er­ zeugten Bilder der mit Rotlicht, Grünlicht oder Blaulicht bestrahlten Körperhöhlen­ wand. Das Fluoreszenz-Bildsignal wird deshalb bis auf Signalpegel verstärkt, die denen des Rot-, des Grün- und des Blau-Bildsignals nahe kommen. Optional kann das Fluoreszenz-Bildsignal durch eine entsprechende Verstärkerschaltung weiter verstärkt werden, so lange der Rauschpegel vernachlässigbar bleibt.
In der Lichtquellenvorrichtung 20 des vorstehend erläuterten Videoendoskopsy­ stems 1 ist das UV-Reflexionsfilter 24 gegenüber dem kollimierten Weißlichtstrahl und dem kollimierten Ultraviolettlichtstrahl jeweils um 45° geneigt. Diese Anord­ nung wurde aus folgenden Gründen gewählt.
Fig. 5 zeigt die Anordnung des UV-Reflexionsfilters 24, des Infrarot-Sperrfilters 23 und der UV-Transmissionsfilter 29a, 29b. Fig. 6 zeigt an Hand eines Graphen die spektrale Reflexionscharakteristik des UV-Reflexionsfilters 24, wenn der Strahl unter einem Winkel von 45° auf dieses trifft. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist auf einer Fläche des UV-Reflexionsfilters 24 ein Antireflexbelag, d. h. eine reflexmindernde Schicht aufgebracht, z. B. aufgedampft, die den Durchtritt von Weißlicht ohne Lichtverlust zulässt. Auf der anderen Fläche ist eine UV-Reflexionsschicht 24b aufgebracht, z. B. aufgedampft, die Ultraviolettlicht reflektiert. Trifft der Strahl unter einem Eintrittswinkel von 45° auf das UV-Reflexionsfilter 24, so wird Licht im Wellenlängenbereich von nicht größer als 400 nm mit einem Reflexionsgrad von 80% oder mehr reflektiert, wie Fig. 6 zeigt, wobei dort der Reflexionsgrad etwa 89% beträgt. Zugleich wird Licht in dem Wellenlängenbereich von etwa 400 nm bis etwa 800 nm mit einem Reflexionsgrad von etwa 4% reflektiert. Trifft nun der Strahl unter einem Eintrittswinkel von 45° auf das UV-Reflexionsfilter 24, so wird der nur aus im Ultraviolettbereich liegenden Wellenlängenkomponenten beste­ hende Strahl nahezu ohne Lichtverlust reflektiert, während ein Strahl, der nur aus im sichtbaren Bereich liegenden Wellenlängenkomponenten besteht, mit einem äußerst geringen Reflexionsgrad reflektiert und folglich von dem Filter 24 nahezu vollständig durchgelassen wird. Für unter einem Eintrittswinkel von 45° auftreffen­ des Licht hat also das UV-Reflexionsfilter 24 einen hohen Reflexionsgrad, wenn das Wellenlängenband des Strahls im Ultraviolettbereich liegt, und einen hohen Transmissionsgrad, wenn das Wellenlängenband des Strahls im sichtbaren Bereich liegt. Für Licht, das unter einem anderen Eintrittswinkel als 45° auftrifft, hat das UV-Reflexionsfilter 24 keinen solch hohen Reflexionsgrad bzw. Transmis­ sionsgrad. Aus diesem Grund ist in der Lichtquellenvorrichtung 20 des Videoen­ doskopsystems 1 gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel das Reflexionsfilter 24, wie in Fig. 5 gezeigt, sowohl gegenüber dem kollimierten Lichtstrahl, der aus der als Beleuchtungslicht dienenden roten, grünen oder blauen Wellenlängen­ komponente besteht, als auch gegenüber dem kollimierten Ultraviolettlichtstrahl, der als Anregungslicht dient, um einen Winkel von 45° geneigt.
Vor ihrem Eintritt in das UV-Reflexionsfilter 24 werden die im sichtbaren Bereich liegenden Wellenlängenkomponenten durch die UV-Transmissionsfilter 29a und 29b aus dem kollimierten Ultraviolettlichtstrahl entfernt. Der Grund dafür liegt darin, dass der von der Ultraviolettlampe 27a der Ultraviolettlichtquelle 27 ausge­ sendete Strahl eine bestimmte Menge an im sichtbaren Bereich liegenden Wel­ lenlängenkomponenten enthält, und zudem das UV-Reflexionsfilter 24, wie in dem Graphen nach Fig. 6 gezeigt, einen gewisses Reflexionsvermögen gegenüber Strahlen hat, die aus im sichtbaren Bereich liegenden Wellenlängen bestehen. Die UV-Transmissionsfilter 29a und 29b sind in der gezeigten Zwei-Filter- Anordnung vorgesehen, da eine Einzelfilteranordnung möglicherweise Wellenlän­ genkomponenten im sichtbaren Bereich übrig lässt. Andererseits entfernt das Infrarot-Sperrfilter 23 aus dem kollimierten Weißlichtstrahl im Infrarotbereich liegende Wellenlängenkomponenten, bevor der Strahl in das UV-Reflexionsfilter 24 gelangt. Der Grund dafür liegt darin, dass die in das Videoendoskop 10 einge­ baute CCD 14 eine hohe Empfindlichkeit über einen weiten Wellenlängenbereich hat, insbesondere gegenüber Strahlen, die aus im Infrarotbereich liegenden Wellenlängen bestehen.
Die Lichtquellenvorrichtung gemäß erläutertem Ausführungsbeispiel stellt durch ihren Aufbau ein optisches System bereit, das den Strahlengang des kollimierten Weißlichtstrahls und den Strahlengang des kollimierten Ultraviolettlichtstrahls durch ein einziges UV-Reflexionsfilter miteinander kombiniert. Auf diese Weise ist die Gesamtzahl der optischen Elemente geringer als bisher. Außerdem können die optischen Achsen des optischen Systems schnell und einfach eingestellt werden. Da ferner das UV-Reflexionsfilter 24, dessen eine Fläche mit der Antire­ flexschicht 24a und dessen andere Fläche mit der UV-Reflexionsschicht 24b versehen ist, sowohl gegenüber dem kollimierten Weißlichtstrahl als auch gegen­ über dem kollimierten Ultraviolettlichtstrahl unter einem Winkel von 45° angeord­ net ist, lässt das Filter 24 den kollimierten Weißlichtstrahl effizient durch, während es den kollimierten Ultraviolettlichtstrahl effizient reflektiert.
Wie aus obiger Beschreibung hervorgeht, ermöglicht es die Erfindung, in einem optischen System einer Lichtquellenvorrichtung die Anzahl der für die angestrebte Funktion erforderlichen optischen Elemente zu verringern, wodurch eine einfache­ re und schnellere Einstellung der optischen Achsen möglich wird.

Claims (8)

1. Optisches System für eine Lichtquellenvorrichtung, die zur Beleuchtung eines Objektes sichtbares Licht und zur Autofluoreszenzanregung des Ob­ jektes Ultraviolettlicht einer proximalen Endfläche eines Lichtleiters eines Vi­ deoendoskops zuführt, das den Lichtleiter zum Leiten des Lichtes auf das Objekt, eine Objektivoptik zum Erzeugen eines Bildes des Objektes und eine Bildaufnahmevorrichtung zum Aufnehmen des Bildes enthält, wobei das op­ tische System versehen ist mit
einer Kondensorlinse zum Bündeln eines Lichtstrahls auf die proximale Endfläche des Lichtleiters,
einer Quelle für sichtbares Licht, die einen ersten kollimierten Lichtstrahl mit im sichtbaren Bereich liegenden Wellenlängen abstrahlt und so angeordnet ist, dass der erste kollimierte Lichtstrahl auf die Kondensorlinse trifft,
einer Quelle für Ultraviolettlicht, die einen zweiten kollimierten Lichtstrahl mit im Ultraviolettbereich liegenden Wellenlängen abstrahlt und so angeordnet ist, dass der zweite kollimierte Lichtstrahl den ersten kollimierten Lichtstrahl senkrecht schneidet, und
einem UV-Reflexionsfilter, das sowohl gegenüber dem ersten kollimierten Lichtstrahl als auch gegenüber dem zweiten kollimierten Lichtstrahl unter ei­ nem Winkel von 45° am Schnittpunkt der beiden kollimierten Lichtstrahlen angeordnet ist sowie den ersten kollimierten Lichtstrahl durchlässt und den zweiten kollimierten Lichtstrahl auf die Kondensorlinse reflektiert.
2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das UV-Reflexionsfilter eine transparente Platte ist, auf deren einer Fläche eine UV-Reflexionsschicht zum Reflektieren von Ultraviolettlicht aufgebracht ist.
3. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die UV- Reflexionsschicht auf der der Quelle für ultraviolettes Licht zugewandten Fläche des UV-Reflexionsfilters ausgebildet ist.
4. Optisches System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der anderen Fläche des UV-Reflexionsfilters eine sichtbares Licht durchlassende Antireflexschicht aufgebracht ist.
5. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle für sichtbares Licht eine Weißlichtquelle ist, die den aus Weißlicht bestehenden ersten Weißlichtstrahl auf die Kon­ densorlinse abstrahlt, und dass das optische System ferner versehen ist mit einem Rot-Filter, das in dem ersten kollimierten Lichtstrahl nur die Rotkom­ ponente durchlässt,
einem Grün-Filter, das in dem ersten kollimierten Lichtstrahl nur die Grün­ komponente durchlässt,
einem Blau-Filter, das in dem ersten kollimierten Lichtstrahl nur die Blau­ komponente durchlässt,
einer zwischen der Weißlichtquelle und dem UV-Reflexionsfilter angeordne­ ten ersten Blende, die das Rot-Filter, das Grün-Filter und das Blau-Filter ent­ hält und so rotiert, dass diese Filter wiederholt und aufeinanderfolgend in den Strahlengang des ersten kollimierten Lichtstrahls gebracht werden,
und einer zwischen der Quelle für Ultraviolettlicht und dem UV- Reflexionsfilter angeordneten zweiten Blende, die so rotiert, dass sie den zweiten kollimierten Lichtstrahl intermittierend unterbricht, und
einer Steuervorrichtung, welche die erste rotierende Blende und die zweite rotierende Blende in Bezug auf deren Geschwindigkeiten und Phasen derart miteinander synchronisiert, dass auf die proximale Endfläche des Lichtleiters nacheinander ein aus einer Rotkomponente bestehender Lichtstrahl, ein aus einer Grünkomponente bestehender Lichtstrahl, ein aus einer Blaukompo­ nente bestehender Lichtstrahl und ein Lichtstrahl mit im Ultraviolettbereich liegenden Wellenlängen trifft.
6. Optisches System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein zwischen der Weißlichtquelle und dem UV-Reflexionsfilter angeordnetes Infrarot- Sperrfilter, das aus dem ersten kollimierten Lichtstrahl die in dem Infrarotbe­ reich liegenden Lichtkomponenten entfernt, und durch ein zwischen der Quelle für Ultraviolettlicht und dem UV-Reflexionsfilter angeordnetes UV- Transmissionsfilter, das in dem zweiten kollimierten Lichtstrahl nur die im Ul­ traviolettbereich liegenden Lichtkomponenten durchlässt.
7. Optisches System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Weißlichtquelle eine Xenonlampe, die Weißlicht abstrahlt, und einen Re­ flektor enthält, der das von der Xenonlampe abgestrahlte Weißlicht so re­ flektiert, dass dieses in einen kollimierten Lichtstrahl übergeführt wird, und dass die Quelle für Ultraviolettlicht eine Ultraviolettlampe, die Ultraviolettlicht abstrahlt, und einen Reflektor enthält, der das von der Ultraviolettlampe ab­ gestrahlte Ultraviolettlicht so reflektiert, dass dieses in einen kollimierten Lichtstrahl übergeführt wird.
8. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine zwischen dem UV-Reflexionsfilter und der Kondensor­ linse angeordnete Aperturblende zum Einstellen der Lichtmenge der kolli­ mierten Lichtstrahlen.
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