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Die
Erfindung betrifft ein in medizinischen Anwendungen eingesetztes
Videoendoskopsystem, mit dem man Bilder der Oberfläche des
mit sichtbarem Licht beleuchteten Objektes sowie Objektbilder erhält, die
sich aus der aus Anregungslicht resultierenden Autofluoreszenz ergeben.
Im engeren Sinne betrifft die Erfindung ein optisches System für eine das
Beleuchtungslicht und das Anregungslicht erzeugende Lichtquellenvorrichtung,
welches das jeweilige Licht dem Videoendoskop zuführt.
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In
den vergangenen Jahren wurde ein Verfahren entwickelt, um die Autofluoreszenz
eines Objektes, insbesondere einer Körperhöhlenwand mit einem Videoendoskopsystem
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 gesundem Gewebe erzeugten Fluoreszenz ist stärker als
die von erkranktem, z.B. von Krebs befallenem Gewebe. Dies führt zu einer
entsprechenden Intensitätsverteilung
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 Bildender
Körperhöhlenwand
zu betrachten, die sich von denjenigen Bildern der Körperhöhlenwand
unterscheiden, die man mit einer Normalbeleuchtung mit sichtbarem
Licht erhält.
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Als
ein solches Videoendoskopsystem, das die Fluoreszenzbetrachtung
ermöglicht,
wird ein nach dem sogenannten RGB-Zeitfolgeverfahren arbeitendes
System eingesetzt, das versehen ist mit einer 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 nacheinander das rote, das grüne und das blaue Licht an das proximale
Ende des Videoendoskops leitet, sowie eine Ultraviolettlichtquelle,
die zur Anregung der Körperhöhlenwand
bestimmtes Ultraviolettlicht in die oben genannte Beleuchtungsoptik
führt. 7 zeigt den optischen Aufbau
einer Lichtquellenvorrichtung 60 eines solchen Videoendoskopsystems. 8 ist die Vorderansicht einer rotierenden
RGB-Blende 603 und einer rotierenden UV-Blende 609,
die in der Lichtquellenvorrichtung 60 vorgesehen sind.
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Wie
in 7 gezeigt, besteht
die Lichtquellenvorrichtung 60 aus einer Weißlichtquelle 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.
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Die
rotierende RGB-Blende 603 ist, wie in den 7 und 8A gezeigt,
eine koaxial auf einer Antriebswelle eines Motors 603a montierte
Scheibe, an der drei fächerförmige 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.
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Wie
in den 7 und 8 gezeigt, ist die rotierende UV-Blende 609 eine
koaxial auf einer Antriebswelle eines Motors 609a montierte
Scheibe, an der eine fächerförmige Ausnehmung
ausgebildet ist, deren Scheitel oder Spitze mit der Scheibenmitte
zusammenfällt.
Der Mittelpunktswinkel der Ausnehmung 609b ist etwas kleiner
als 180°.
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Wie
aus 7 hervorgeht, werden
dem aus der Weißlichtquelle 601 abgestrahlten
kollimierten Weißlichtstrahl
durch das Infrarot-Sperrfilter 602 eine im Infrarotbereich
liegende Wellenlängenkomponente
entzogen. Der Strahl wird dann von einem an der RGB-Blende 603 vorgesehenen
Filter 603b bis 603d und anschließend 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.
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Der
kollimierte Lichtstrahl, der aus den im Ultraviolettbereich liegenden,
von der Ultraviolettlichtquelle 607 parallel zu dem kollimierten
Weißlichtstrahl
ausgesendeten Wellenlängen
besteht, wird von dem UV-Transmissionsfilter 608 so gefiltert,
dass er einen kollimierten Strahl mit Wellenlängen ausschließlich im
Ultraviolettbereich 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.
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Die
RGB-Blende 603 und die UV-Blende 609 werden von
den Motoren 603a bzw. 609a gedreht, deren Geschwindigkeiten
und Rotationsphasen so gesteuert werden, dass ein aus einer blauen
Lichtkomponente bestehender Strahl, ein aus einer grünen Lichtkomponente
bestehender Strahl, ein aus einer roten Lichtkomponente bestehender
Strahl und ein Strahl mit Wellenlängen im Ultraviolettbereich nacheinander
auf die proximale Endfläche
des Lichtleiters 70 treffen. In 9 ist schematisch dargestellt, wie die
jeweiligen Strahlen auf die Kondensorlinse 606 treffen.
In 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 Weißlichtstrahl
auf eines der RGB-Filter 603b bis 603d trifft
bzw. eine Zeit, in der ein aus in dem Ultraviolettbereich liegenden
Wellenlängen
bestehender kollimierter Strahl in die Ausnehmung 609b strömt. Das
auf den jeweiligen Linien erscheinende Symbol x gibt eine Dunkelzeit
an, in der kein Strahl auf die Kondensorlinse 606 trifft.
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Wie
aus 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 ausgebildeten 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.
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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 Körperhöhlenwand über eine
Zerstreuungslinse zu beleuchten oder zu bestrahlen, die an dem distalen
Ende des Videoendoskops angebracht ist (in 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 7 nicht dargestellt).
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In
der Optik der oben erläuterten
Lichtquellenvorrichtung 60 sind die beiden Lichtquellen 601, 607 nebeneinander
angeordnet, so dass der kollimierte Weißlichtstrahl 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.
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Ein
Aufbau, bei dem zwei von zwei Lichtquellen 601, 607 ausgesendete
kollimierte 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 übermäßig lange
Zeit.
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Ferner
ist es erforderlich, dass das in 7 gezeigte
UV-Reflexionsfilter 604 den Weißlichtstrahl effizient durchlässt und
den aus den im Ultraviolettbereich-liegenden Wellenlängen bestehenden
Strahl effizient reflektiert, da ansonsten keine zum Beleuchten
oder Anregen des Objektes, d.h. der Körperhöhlenwand, ausreichende Lichtmenge
in den Lichtleiter 70 geleitet wird.
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Aus
dem Dokument WO 99/37204 A1 ist ein Endoskop mit einem Fluoreszenz-Abbildungssystem bekannt,
das zwei Lichtquellen zum Erzeugen von fluoreszierenden und reflektierenden
Bildern eines zu untersuchenden Gewebes aufweist. Ein bildgebendes
System ist am distalen Ende des Endoskops angeordnet und erfasst
sowohl die fluoreszierenden als auch die reflektierenden Bilder.
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Aus
dem Dokument WO 00/42910 A1 ist ein Fluoreszenz-Abbildungssystem
zur Endoskopie mit Hilfe eines Video-Endoskops bekannt, bei dem
eine Lichtquelle sowohl ultraviolettes Licht zur Autofluoreszenz
von Gewebe als auch sichtbares Licht erzeugt. Ein optisches System
leitet beide Arten des von der Lichtquelle erzeugten Lichts zu dem
zu untersuchenden Gewebe weiter. Ferner ist ein System zur digitalen
Aufnahme des vom Gewebe reflektierten Lichts, d.h. von sichtbaren
Fluoreszenzbildern und sichtbaren Reflexionsbildern, vorgesehen.
Mit Hilfe der beiden erfassten Bilder wird ein Fehlerfarbbild erzeugt,
in dem Bereiche mit Gewebedysplasie gekennzeichnet werden.
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Aus
dem Dokument WO 99/66830 A1 ist ein Endoskop zum direkten Betrachten
von mit Fluoreszenzlicht bestrahlten Gewebe ohne zusätzliche
Geräte
bekannt. Dabei weist das Endoskop ein optisches System zum Übertragen
des Lichts von einer Lichtquelle zum zu betrachtenden Gewebe und
ein weiteres optisches System zum Übertragen von den vom Gewebe
reflektierten Lichtstrahlen zum Betrachter auf. In dem weiteren
optischen System zum Abbilden der reflektierten Lichtstrahlen sind
eine Serie von Filtern angeordnet, die die Lichtstrahlen filtern,
bevor sie zum Auge des menschlichen Betrachters gelangen.
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Hauptaufgabe
der Erfindung ist es, ein optisches System für eine für ein Videoendoskop 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 übermäßigen Zeitaufwand
einzustellen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein optisches
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.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch das optische System mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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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.
Durch die mit Hilfe der Merkmale des Patentanspruchs 1 definierten
Farbfilteranordnungen wird das zu betrachtende Gewebe ferner auf
einfache Art und Weise mit dem dafür erforderlichen Licht bestrahlt.
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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 zweiten kollimierten
Lichtstrahl, der aus im Ultraviolettbereich liegenden Wellenlängen besteht,
effizient reflektiert. Diese Ausgestaltung des optischen Systems
ermöglicht
es, in den Lichtleiter eine ausreichende Lichtmenge zur Beleuchtung
oder zur Anregung des Objektes, d.h. der Körperhöhlenwand, einzuleiten.
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Die
Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 den
inneren Aufbau eines Videoendoskopsystems mit einem Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Lichtquellenvorrichtung,
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2 den
optischen Aufbau der Lichtquellenvorrichtung,
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3A die
Vorderansicht einer rotierenden RGB-Blende der Lichtquellenvorrichtung,
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3B die
Vorderansicht einer rotierenden UV-Blende der Lichtquellenvorrichtung,
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4 ein
Blockdiagramm einer Schaltung des Endoskopprozessors,
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5 die
konkrete Anordnung des UV-Reflexionsfilters, eines Infrarot-Sperrfilters und
des UV-Transmissionsfilters,
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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,
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7 den
optischen Aufbau einer Lichtquellenvorrichtung in einem herkömmlichen
Videoendoskopsystem,
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8A die
Vorderansicht der rotierenden RGB-Blende in der herkömmlichen
Lichtquellenvorrichtung,
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8B die
Vorderansicht einer rotierenden UV-Blende in der herkömmlichen
Lichtquellenvorrichtung, und
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9 ein
Zeitdiagramm mit den Durchlassphasen der in der herkömmlichen
Lichtquellenvorrichtung auf eine Kondensorlinse treffenden Strahlen der
jeweiligen Wellenlängen.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Lichtquellenvorrichtung
beschrieben.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein elektronisches Endoskopsystem 1,
das ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Lichtquellenvorrichtung
enthält.
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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 Lichtquellenvorrichtung 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 Lichtquellenvorrichtung 20, der Endoskopprozessor 30 und die
Eingabevorrichtung 40 in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
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Der
Endoskopprozessor 30 hat eine Zeitsteuerung 31 zum
Synchronisieren des Beleuchtungslichtes; des Anregungslichtes und
der Bildsignale, eine Bildsignalverarbeitungsschaltung 32,
welche die von dem Videoendoskop 10 stammenden Bildsignale
so verarbeitet, dass diese in RGB-Bildsignale gewandelt und dann
auf einen Monitor 50 ausgegeben werden, und eine Systemsteuerung 33,
die das Endoskopsystem 1 gemäß den über die Eingabevorrichtung 40 eingegebenen
Befehlen steuert.
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Das
Videoendoskop 10 hat ein an die Lichtquellenvorrichtung 20 angeschlossenes
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 Festkörper-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 1 nicht dargestellt),
einen mit verschiedenen Tasten, Schaltern und einem Rad zum Betätigen des
Biegemechanismus ausgestatteten Bedienteil 16 sowie eine
Signalleitung 17, durch die verschiedene Signale von dem
Bedienteil 16 an die Systemsteuerung 33 übertragen
werden.
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2 zeigt
den optischen Aufbau der Lichtquellenvorrichtung 20. Die
Lichtquellenvorrichtung 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 1 und 2 gezeigt
ist.
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Die
Weißlichtquelle 21 hat
eine Xenonlampe 21a, die Weißlicht als für Normalbetrachtungen
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 Ultraviolettlichtquelle 27 hat eine Ultraviolettlampe 27a,
die das Objekt, d.h. die Körperhöhlenwand
zum Erzeugen von Autofluoreszenz anregendes Ultraviolettlicht abstrahlt,
und einen Reflektor 27b, der das von der Ultraviolettlampe 27a abgestrahlte
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.
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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. Anschließend wird
der kollimierte Weißlichtstrahl
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.
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Der
kollimierte Lichtstrahl, der aus im Ultraviolettbereich liegenden,
von der Ultraviolettlichtquelle ausgesendeten Wellenlängen besteht
und den kollimierten Weißlichtstrahl
im rechten Winkel kreuzt, wird von der später beschriebenen rotierenden UV-Blende 28 durchgelassen,
durch die UV-Transmissionsfilter 29a, 29b so gefiltert,
dass er nur aus im Ultraviolettbereich liegenden Wellenlängenkomponenten
besteht, und an dem später
beschriebenen UV-Reflexionsfilter 24 reflek tiert. Der eben
genannte Lichtstrahl wird im Folgenden als "kollimierter Ultraviolettlichtstrahl" 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.
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3A zeigt
eine Vorderansicht der rotierenden RGB-Blende 22, während 3B eine
Vorderansicht der rotierenden UV-Blende 28 zeigt. Wie in
den 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
ausgebildet 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 Bandpassfilter, 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 Durchmessers belegen. Wird die RGB-Blende 22 von
dem Motor 22a gedreht, so werden das rote, das grüne und das blaue
Filter 22c bis 22e wiederholt in den Strahlengang
des von der Weißlichtquelle 21 abgestrahlten kollimierten
Weißlichtstrahls
gebracht, und zwar in der Abfolge R-G-B. Der kollimierte Weißlichtstrahl wird
so sequenziell umgewandelt in einen Strahl, der nur aus im roten
Wellenlängenbereich
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 wiederholender
Folge auf die proximale Endfläche 11a des
Lichtleiters 11 fokussiert.
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Wie
in den 1 bis 3 gezeigt,
ist die rotierende UV-Blende 28 eine auf einer Antriebswelle
eines Motors 28a koaxial montierte Scheibe, auf der eine
fächerförmige 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 Ausnehmung 28c wiederholt in den Strahlengang des
von der Ultraviolettlichtquelle abgestrahlten kollimierten Ultraviolettlichtstrahls
eingeführt.
Der kollimierte Ultraviolettlichtstrahl 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.
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Wie
in den 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. 4), die ein Teil der Zeitsteuerung 31 ist.
Die Motoren 22a und 28a sind an die Drehblenden-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.
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Die
Aperturblende 25 ist elektrisch mit einer in der Systemsteuerung 33 des
Endoskopprozessors 30 vorgesehenen Aperturblenden-Steuerschaltung 333 verbunden
(vgl. 4). Die Lichtmenge des in die Kondensorlinse 26 gelangenden
Rot-, Grün-, Blau-
und Ultraviolettlichtes wird über
die Aperturblende 25 eingestellt, die von der Systemsteuerung 33 (Aperturblenden-Steuerschaltung 333)
gesteuert wird.
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4 zeigt
den internen Aufbau des Endoskopprozessors 30 in einem
Blockdiagramm. Die Zeitschaltung 31 enthält eine
Zeitsignalschaltung 311, die Drehblenden-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 Synchronisationsimpulssignal
einen Übertragungsimpuls
an die CCD 14.
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Die
Bildsignalverarbeitungsschaltung 32 besteht aus einer Vorverarbeitungsschaltung 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 Speichereinheit 323a für das Fluoreszenz-Bildsignal,
einer Speichereinheit 323b für das B-Bildsignal, einer Speichereinheit 323c für das G-Bildsignal
und einer Speichereinheit 323d für das R-Bildsignal. Der D/A-Wandlerteil 324 enthält den Speichereinheiten 323a bis 323d zugeordnete D/A-Wandler 324a bis 324d.
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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 Eingabevorrichtung 40 und den Bedienteil 16 eingegebenen
Befehlen. Die Speichersteuerschaltung 332 steuert die Speichereinheiten 323a bis 323d der
Bildsignalverarbeitungsschaltung 32. Die Aperturblenden-Steuerschaltung 333 steuert
die Blendengrenzen der Aperturblende 25 in Erwiderung auf
Bildsignale, die aus dem D/A-Wandlerteil 324 stammen.
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Werden
das Rotlicht, das Grünlicht,
das Blaulicht und das Ultraviolettlicht sequenziell in den Lichtleiter 11 über dessen
proximale Endfläche 11a eingeleitet,
so wird das Objekt, d.h. die Körperhöhlenwand
sequenziell mit dem Rotlicht, dem Grünlicht, 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 Zeitsignalschaltung 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 Ultraviolettlicht
beruhendes Fluoreszenz-Bildsignal gegeben.
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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 Gammasteuerung durch. Jedes der von der Vorverarbeitungsschaltung 321 verarbeiteten Bildsignale
wird dann von dem A/D-Wandler 322 in ein Digitalsignal
gewandelt.
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Das
R-, G- und B-Bildsignal sowie das Fluoreszenz-Bildsignal, die von
dem A/D-Wandler 322 sequenziell
in Digitalsignale gewandelt worden sind, werden entsprechend 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 zugehörigen 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.
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An
dem R-, dem G- und dem B-Bildsignal sowie dem Fluoreszenz-Bildsignal,
die in Analogsignale gewandelt worden sind, werden von den zugehörigen Nachverarbeitungsschaltungen 325a bis 325d verschiedene
Bearbeitungsoperationen vorgenommen, wie z.B. eine Verstärkung, eine
Randwertoperation (clamping), eine Austastung (blanking), eine 75 Ω-Treiberoperation
etc.
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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 bereitgestelltes Synchronisationssignal
SYNC ebenfalls an den Monitor 50 ausgegeben.
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Verglichen
mit dem an der Körperhöhlenwand
reflektierten R-, G- und B-Licht ist die Intensität der von
der Körperhöhlenwand
ausgesendeten Autofluoreszenzstrahlung 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 3 zeigt. Die Dauer, während der der
kollimierte Ultraviolettlichtstrahl durch die Ausnehmung 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 angesammelt ist,
nimmt also mehr Zeit in Anspruch als die von der Objektivoptik 13 erzeugten
Bilder der mit Rotlicht, Grünlicht oder
Blaulicht bestrahlten Körperhöhlenwand.
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.
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In
der Lichtquellenvorrichtung 20 des vorstehend erläuterten
Videoendoskopsystems 1 ist das UV-Reflexionsfilter 24 gegenüber dem
kollimierten Weißlichtstrahl
und dem kollimierten Ultraviolettlichtstrahl jeweils um 45° geneigt.
Diese Anordnung wurde aus folgenden Gründen gewählt.
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5 zeigt
die Anordnung des UV-Reflexionsfilters 24, des Infrarot-Sperrfilters 23 und
der UV-Transmissionsfilter 29a, 29b. 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 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 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
bestehende 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° auftreffendes 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. Transmissionsgrad. Aus diesem Grund ist in der Lichtquellenvorrichtung 20 des
Videoendoskopsystems 1 gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel
das Reflexionsfilter 24, wie in 5 gezeigt,
sowohl gegenüber
dem kollimierten Lichtstrahl, der aus der als Beleuchtungslicht
dienenden roten, grünen oder
blauen Wellenlängenkomponente
besteht, als auch gegenüber
dem kollimierten Ultraviolettlichtstrahl, der als Anregungslicht
dient, um einen Winkel von 45° geneigt.
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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 ausgesendete
Strahl eine bestimmte Menge an im sichtbaren Bereich liegenden Wel lenlängenkomponenten
enthält,
und zudem das UV-Reflexionsfilter 24, wie in dem Graphen
nach 6 gezeigt, ein 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 Wellenlängenkomponenten
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 eingebaute CCD 14 eine hohe
Empfindlichkeit über
einen weiten Wellenlängenbereich
hat, insbesondere gegenüber
Strahlen, die aus im Infrarotbereich liegenden Wellenlängen bestehen.
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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 Antireflexschicht 24a und dessen andere Fläche mit
der UV-Reflexionsschicht 24b versehen ist, sowohl gegenüber dem
kollimierten Weißlichtstrahl
als auch gegenüber
dem kollimierten Ultraviolettlichtstrahl unter einem Winkel von
45° angeordnet,
ist, lässt
das Filter 24 den kollimierten Weißlichtstrahl effizient durch,
während
es den kollimierten Ultraviolettlichtstrahl effizient reflektiert.
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Wie
aus obiger Beschreibung hervorgeht, ermöglicht es die Erfindung, in
einem optischen System einer Lichtquellenvorrichtung die Anzahl
der für
die angesfrebte Funktion erforderlichen optischen Elemente zu verringern,
wodurch eine einfachere und schnellere Einstellung der optischen
Achsen möglich wird.