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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung zur Beleuchtung eines Untersuchungsfelds bei einer transkutanen Fluorometrie.
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren der transkutanen fluoroskopischen Biopsie zum Nachweis metastatischer Infiltrate im Sentinel-Lymphknoten bekannt, bei welchen der Farbstoff Indocyaningrün (ICG) subkutan injiziert und mittels einer Beleuchtungsvorrichtung transkutan angeregt wird. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine breitbandig emittierende Lichtquelle, die mindestens im Anregungswellenlängenbereich von ICG zwischen 600 Nanometer und 900 Nanometer Licht emittiert. Die Fluoreszenzantwort des injizierten ICG Farbstoffs im Fluoreszenzwellenlängenbereich von etwa 750 Nanometer bis etwa 950 Nanometer mit einem Fluoreszenzmaximum bei einer Wellenlänge von 830 Nanometer wird transkutan mittels einer im nahen Infrarot (NIR) empfindlichen Kamera aufgenommen oder gemessen. Die Kamera kann mit einem Kamerafilter versehen sein, der Licht außerhalb des Fluoreszenzwellenlängenbereiches weitgehend sperrt.
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Aus der im NIR aufgenommenen Fluoreszenzantwort kann auf die Verteilung von Blut und/oder Gewebeflüssigkeiten, beispielsweise Lymphe, in tieferen Hautschichten geschlossen werden. Ein derartiges, aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren ist damit geeignet, mit einem erhöhten Metabolismus einhergehende pathologische Veränderungen, beispielsweise Metastasen, zu diagnostizieren.
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Aus dem Stand der Technik sind auch Vorrichtungen zur Fluoreszenzdetektion mittels Endoskopie bekannt. Das Dokument
DE 10 2011 122 602 A9 beschreibt eine Vorrichtung zur endoskopischen Fluoreszenzdetektion. Die Vorrichtung umfasst eine Lichterzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer Fluoreszenzanregungsstrahlung, einen endoskopisch einsetzbaren Lichtleiter zur Weiterleitung der Fluoreszenzanregungsstrahlung von einem proximalen Ende des Lichtleiters zu einem zu untersuchenden menschlichen oder tierischen Gewebe und zur Aufnahme und Weiterleitung einer von dem Gewebe emittierten Fluoreszenzstrahlung zum proximalen Ende des Lichtleiters, eine Detektoreinrichtung zur Detektion der Fluoreszenzstrahlung und eine am proximalen Ende des Lichtleiters angeordnete Strahlteileroptik zur Einkopplung der Fluoreszenzanregungsstrahlung in den Lichtleiter und zur Weiterleitung der Fluoreszenzstrahlung vom proximalen Ende des Lichtleiters zur Detektoreinrichtung, wobei die Lichterzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer solchen Fluoreszenzanregungsstrahlung ausgebildet ist, die zur Anregung der Emission von Fluoreszenzstrahlung des Gewebes in mindestens drei unterschiedlichen Fluoreszenzwellenlängenbereichen geeignet ist, und wobei die Detektoreinrichtung zur Unterscheidung der mindestens drei unterschiedlichen Wellenlängenbereiche der Fluoreszenzstrahlung ausgebildet ist.
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Das Dokument
DE 10 2006 023 945 A1 beschreibt ein Verfahren und ein optisches Modul zum Auslesen von Biochips. Das optische Modul besteht aus einem optischen Beleuchtungskanal mit einer Lichtquelle, vorzugsweise einer LED mit geeigneter LED-Optik, vorzugsweise einer Hochleistungs-LED, die als Lichtquelle zur homogenen Ausleuchtung verwendet wird, die den Biochip ausleuchtet, einem optischen Auslesekanal in dem das Fluoreszenzlicht der Spots vom Biochip auf eine Kamera abgebildet wird, einem dichroitischen Spiegel zur Separierung des optischen Beleuchtungskanals vom optischen Auslesekanal, geeigneten Filtern, die das Licht der Lichtquelle im optischen Beleuchtungskanal spektral selektieren und das zu detektierende Fluoreszenzlicht im Auslesekanal vom Anregungslicht spektral trennen, mindestens einer Blende zur Minimierung der optischen Abbildungsfehler bei der Abbildung der Spots sowie geeigneter optischer Abbildungselemente.
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Das Dokument
DE 10 2015 201 647 B4 beschreibt ein optisches Element zur Fokussierung kollimierter Strahlen um eine optische Achse, welches eintrittsseitig durch einen zur optischen Achse zentrierten Kegelstumpf mit zum Lichteintritt weisender Deckfläche begrenzt ist und austrittsseitig durch einen Kegel mit zum Lichtaustritt weisender Kegelspitze auf der optischen Achse und eine um den Kegel angeordnete rotationssymmetrische asphärische Grenzfläche begrenzt ist. Der Kegel ist als Ergänzungskegel zum Kegelstumpf ausgebildet. Die asphärische Grenzfläche ist als Teilfläche der konvexen Fläche einer plankonvexen asphärischen Sammellinse mit einem hinter dem Lichtaustritt des optischen Elements angeordneten Brennpunkt auf der optischen Achse ausgebildet. Die Mantelflächen des Kegelstumpfs und des Kegels sind nach innen reflektierend ausgebildet und entlang der optischen Achse so beabstandet, dass das kollimierte Eintrittsbündel von der Innenseite der Mantelfläche des Kegels auf die Innenseite der Mantelfläche des Kegelstumpfes gelenkt wird.
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Das Dokument
US 2016 / 0 085 078 A1 beschreibt ein System zur Fluoreszenzbildgebung mit einer Lichtquelle, einem optischen System, einer Kamera und einem Anregungssperrfilter. Das optische System erzeugt eine ungleichförmige Fluoreszenzanregungsbeleuchtung zur Beleuchtung eines Objekts und zur Anregung einer Fluoreszenz. Das optische System ist zwischen der Lichtquelle und dem Objekt angeordnet und verändert die ungleichförmige Fluoreszenzanregungsbeleuchtung in eine gleichförmige Fluoreszenzanregungsbeleuchtung unter Veränderung der Divergenz der gleichförmigen Fluoreszenzanregungsbeleuchtung. Die Kamera umfasst ein Pixelarray, detektiert Fluoreszenzemissionen und misst die Intensität eines jeden Pixels. Der Anregungssperrfilter ist zwischen dem Objekt und der Kamera angeordnet und sperrt die Anregungsbeleuchtung, so dass die Anregungsbeleuchtung nicht auf die Kamera trifft.
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Das Dokument
US 2016 / 0 364 858 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abbildung eines Untersuchungsobjekts. Die Vorrichtung umfasst einen Bildsensor, einen Laser zur Emission von Anregungslicht für ein im Infrarotbereich oder im nahen Infrarotbereich anregbares Fluorophor, eine Lichtquelle, die sichtbares Licht emittiert, einen Strahlteiler, einen Kerbfilter, ein Synchronisationsmodul, eine Bildverarbeitungseinheit, eine Bilddarstellungseinheit und lichtleitende Kanäle. In weiteren Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung einen Bildsensor, einen Laser zur Emission von Anregungslicht für ein im Infrarotbereich oder im nahen Infrarotbereich anregbares Fluorophor, einen Lasersäuberungsfilter, einen Kerbfilter, eine Weißlichtquelle, eine Bildverarbeitungseinheit, eine Bilddarstellungseinheit und lichtleitende Kanäle. Der Bildsensor ist zur Detektion sowohl von sichtbarem Licht als auch von infrarotem Licht eingerichtet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Beleuchtungsvorrichtung für die transkutane fluoroskopische Biopsie anzugeben. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Beleuchtungsvorrichtung anzugeben, mit der besser reproduzierbare und besser vergleichbare, insbesondere unabhängig vom Abstand eines Untersuchungsobjekts reproduzierbare und vergleichbare Fluoreszenzmessungen durchführbar sind, bei denen in oder unter einem Untersuchungsfeld befindliches ICG unabhängig von der Position innerhalb des Untersuchungsfelds stets gleich stark angeregt wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Beleuchtungsvorrichtung zur Beleuchtung eines Untersuchungsfelds einer transkutanen Fluorometrieuntersuchung umfasst eine Lichtquelle sowie eine austrittsseitig angeordneten Feldblende. Die Lichtquelle emittiert Licht im Anregungswellenlängenbereich von Indocyaningrün (ICG).
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Zwischen der Lichtquelle und der Feldblende ist ein optischer Homogenisator angeordnet, welcher so eingerichtet ist, dass innerhalb der Öffnung der Feldblende Strahlen mit einer homogenen Strahldichteverteilung austreten.
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Somit trifft auch auf das Untersuchungsfeld Licht mit näherungsweise homogener Strahlintensität. Ein Vorteil einer solchen Beleuchtungsvorrichtung besteht darin, dass im oder unter dem Untersuchungsfeld befindliches ICG unabhängig von der Position innerhalb des Untersuchungsfelds stets gleich stark angeregt wird. Somit ist sichergestellt, dass Unterschiede in der Fluoreszenzantwort nicht auf Unterschiede in der anregenden Beleuchtungsstärke, sondern ausschließlich auf Unterschiede in der lokalen Konzentration des ICG zurückzuführen sind.
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Gegenüber Beleuchtungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik ist somit eine verbesserte Genauigkeit und Reproduzierbarkeit einer transkutanen Fluorometrie möglich.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Homogenisator ein eintrittsseitig angeordnetes Kollimatorobjektiv und einen austrittsseitig angeordneten Strahlformer, die so angeordnet und eingerichtet sind, dass innerhalb der Öffnung der Feldblende kollimierte Strahlen mit homogener Strahldichteverteilung austreten.
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Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass aufgrund der Kollimierung des aus der Beleuchtungsvorrichtung austretenden Lichts die anregende Beleuchtungsstärke unabhängig von der Entfernung der Beleuchtungsvorrichtung vom Untersuchungsfeld ist.
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Bei einer Ausführungsform ist die Lichtquelle als Laser ausgebildet, der kollimiertes Licht mit einer gaußförmigen Strahldichteverteilung emittiert. Bei dieser Ausführungsform ist der Homogenisator als Strahlformer ausgebildet. Der Strahlformer ist so eingerichtet, dass innerhalb der Öffnung der Feldblende kollimierte Strahlen mit homogener Strahldichteverteilung austreten. Strahlformer zur Transformation einer gaußförmigen Strahldichteverteilung in eine homogene Strahldichteverteilung oder Top-Hat-Strahldichteverteilung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann ein Kollimator eingespart und somit die Konstruktion und Montage vereinfacht werden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist der optische Homogenisator mindestens eine optisch wirksame Fläche auf, die asphärisch geformt ist. Durch Verringerung sphärischer Aberrationen ist bei dieser Ausführungsform eine verbesserte Homogenität der Strahldichte und/oder ein vergrößertes Untersuchungsfeld und/oder eine verkürzte Baulänge der Beleuchtungsvorrichtung möglich.
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Bei einer Ausführungsform ist der optische Homogenisator als optischer Diffusor ausgebildet. Ein optischer Diffusor ist aus dem Stand der Technik als Bauelement bekannt, mit dem durch diffuse Reflexion und Brechung Licht gestreut wird. Ein Diffusor kann beispielsweise als Streuscheibe aus Quarzglas hergestellt sein, in das als Streuzentren wirkende Lufteinschlüsse eingearbeitet sind. Derartige Streuscheiben sind kostengünstig verfügbar, mit geringem Justageaufwand montierbar und eignen sich für die Streuung über einem großen Wellenlängenbereich.
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Bei einer Ausführungsform ist der optische Homogenisator als Linsenarray umfassend mehrere, in einer Fläche angeordnete Linsen ausgebildet. Aus dem Stand der Technik sind Linsenarrays, insbesondere Mikrolinsenarrays, bekannt, bei denen die optischen Achsen von mehreren Linsen jeweils paarweise gekreuzt sind und/oder bei denen die Linsen gitterartig oder zeilenförmig versetzt angeordnet sind, um eine große Homogenität der austretenden Strahldichteverteilung zu erzielen. Mit dieser Ausführungsform ist ein besonders hoher optischer Durchsatz und eine besonders gute Homogenität der Strahldichteverteilung erzielbar. Dadurch sind Beleuchtungsvorrichtungen mit Lichtquellen mit geringerer Lichtleistung möglich. Zudem wird dadurch die Erwärmung der Beleuchtungsvorrichtung verringert.
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Bei einer Ausführungsform ist der optische Homogenisator diffraktiv ausgeführt. In vorteilhafter Weise kann dadurch eine verbesserte Homogenität bei einer geringeren Bauform erreicht werden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung zusätzlich einen nach der Lichtquelle angeordneten ICG - Sperrfilter, der Strahlung wellenlängenabhängig in einem Sperrband sperrt und in einem Durchlassband durchlässt. Das Sperrband reicht mindestens von 800 Nanometer bis 950 Nanometer. Das Durchlassband reicht mindestens von 600 Nanometer bis 700 Nanometer. Bevorzugt sind das Durchlassband und das Sperrband in einem Abstand von höchstens 50 Nanometer angeordnet.
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Mit dem ICG - Sperrfilter wird verhindert, dass von der Lichtquelle emittierte Lichtstrahlung im Fluoreszenzwellenlängenbereich von ICG die Fluoreszenzantwort von injiziertem ICG überdeckt beziehungsweise überstrahlt. Somit werden verfälschte Messungen bei der Fluorometrie vermieden.
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Bei einer Ausführungsform ist der ICG - Sperrfilter außerhalb eines die Lichtquelle umgebenden Gehäuses angeordnet, um eine verbesserte Entwärmung zu gewährleisten. Diese Ausführungsform ist insbesondere für Beleuchtungsvorrichtungen vorteilhaft, die für die Emission größerer Anregungsintensitäten vorgesehen sind. Die Entwärmung kann zusätzlich mit Hilfe Kühlvorrichtungen weiter verbessert werden. Derartige Kühlvorrichtungen können mindestens teilweise passiv, beispielsweise als Kühlrippen, und/oder mindestens teilweise aktiv, beispielsweise mit gepumpter Kühlflüssigkeit, ausgeführt sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
- 1 schematisch eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Untersuchungsfeld sowie
- 2 schematisch die Transmissionskurve für einen ICG - Sperrfilter.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch eine Beleuchtungsvorrichtung 1 mit einem Gehäuse 1.1, das einen Austritt A zum Austritt von Strahlen S aufweist. Die Strahlen S werden auf ein Untersuchungsfeld U projiziert und regen dort subkutan injiziertes ICG zur Fluoreszenz an. Die Fluoreszenzantwort des ICG wird transkutan mittels einer nicht näher dargestellten, im nahen Infrarot (NIR) empfindlichen Aufnahmevorrichtung erfasst.
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Im Gehäuse 1.1 ist eine Lichtquelle 2 konzentrisch zu einer optischen Achse X angeordnet. Die Lichtquelle 2 kann ein einziges Leuchtmittel, beispielsweise eine Halogenlampe umfassen. Es ist aber auch möglich, dass die Lichtquelle 2 eine Mehrzahl räumlich verteilter Leuchtmittel, beispielsweise eine Mehrzahl von Leuchtdioden, umfasst.
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Die Lichtquelle 2 emittiert mit einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen, darüber hinaus aber beliebigen Strahldichteverteilung Licht, das den Absorptions- oder Anregungswellenlängenbereich von in Blut gelöstem ICG mindestens teilweise überdeckt.
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Zwischen der Lichtquelle 2 und dem Austritt A ist ein Homogenisator 5 angeordnet, der ein Kollimatorobjektiv 5.1 und einen Strahlformer 5.2 umfasst. Das Kollimatorobjektiv 5.1 ist eintrittsseitig, also der Lichtquelle 2 zugewandt angeordnet. Der Strahlformer 5.2 ist austrittsseitig angeordnet.
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Die Lichtquelle 2 kann auch als Laser ausgebildet sein, der kollimiertes Licht mit einer gaußförmigen Strahldichteverteilung emittiert. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann das Kollimatorobjektiv 5.1 durch einen Strahlaufweiter ersetzt werden, mit welchem der Durchmesser des Laserstrahls an die Eintrittspupille des Strahlformers 5.2 angepasst wird.
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Von der Lichtquelle 2 emittiertes Licht wird durch das Kollimatorobjektiv 5.1 zur optischen Achse X kollimiert. Mittels des Strahlformers 5.2 wird das Strahldichteprofil der austretenden Strahlen S angepasst. Austrittsseitig vom Strahlformer 5.2 ist eine Feldblende 6 angeordnet. Der Strahlformer 5.2 ist so eingerichtet, dass die Strahldichte der die Feldblende 6 durchtretenden, kollimierten Strahlen S homogen ist.
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Der Strahlformer kann nicht näher dargestellte optische Elemente umfassen, die mindestens eine asphärisch geformte optisch wirksame Fläche aufweisen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Lichtquelle 2 und dem Untersuchungsfeld U ein ICG - Sperrfilter 3 angeordnet, dessen optische Wirkung im Folgenden anhand von 2 näher erläutert wird.
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2 zeigt schematisch den Verlauf der Transmissivität T eines ICG - Sperrfilters 3 in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ des transmittierten Lichts. 2 zeigt zudem überlagert schematisch den auf das Fluoreszenzmaximum normierten Verlauf des Fluoreszenzspektrums EICG von angeregtem Indocyaningrün (ICG) sowie schematisch den auf die maximale Emissionsstrahlung normierten Verlauf des Leuchtmittelemissionsspektrums EA , welches von einer breitbandig emittierenden Lichtquelle 2, beispielsweise einer Halogenlampe, abgegeben wird. Die Lichtquelle 2 muss so gewählt sein, dass deren Leuchtmittelemissionsspektrum EA den Anregungswellenlängenbereich ΛABS mindestens teilweise überdeckt.
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ICG wird in einem Anregungswellenlängenbereich ΛABS zwischen 600 Nanometer und 900 Nanometer zur Fluoreszenz angeregt. Das vom angeregten ICG emittierte, mittels einer im nahen Infrarot empfindlichen Aufnahmevorrichtung erfassbare Fluoreszenzspektrum EICG liegt in einem Bereich zwischen einer unteren Fluoreszenzwellenlänge λu und einer oberen Fluoreszenzwellenlänge λo . Für in Blut gelöstes ICG beträgt die untere Fluoreszenzwellenlänge λu etwa 750 Nanometer und die obere Fluoreszenzwellenlänge λo etwa 950 Nanometer, wobei das Maximum des Fluoreszenzspektrums EICG bei etwa 830 Nanometer liegt.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Lichtquellen 2 können beispielsweise als Halogenlampen ausgebildet sein und ein breitbandiges Leuchtmittelemissionsspektrum EA emittieren, das in den Bereich des messbaren rums EICG hineinreicht.
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Die von einer solchen breitbandig emittierenden Lichtquelle 2 emittierte Gesamtstrahlungsleistung übersteigt die Gesamtstrahlungsleistung des fluoreszierenden ICG üblicherweise um mehrere Größenordnungen. Somit überstrahlt beziehungsweise überdeckt eine solche Lichtquelle 2 daher die Fluoreszenz des injizierten ICG derart, dass krankheitsbedingte Unterschiede in der Intensität und in der örtlichen Verteilung der Fluoreszenz bei eingeschalteter Operationsleuchte nicht messbar sind.
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Zur Vermeidung einer solchen Überstrahlung kann ein ICG - Sperrfilter 3 vorgesehen werden, dessen Transmissivität T in einem Durchlassband ΛDnahe Eins oder 100 Prozent ist und in einem Sperrband ΛS nahe Null ist, wobei das Durchlassband ΛD unterhalb des Sperrbands ΛS angeordnet und so breit gewählt ist, dass eine ausreichende Anregung des ICG im oder unter dem Untersuchungsfeld U ermöglicht ist. Das Sperrband ΛS überdeckt mindestens den Fluoreszenzbereich zwischen der unteren und der oberen Fluoreszenzwellenlänge λu , λo .
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Der ICG - Sperrfilter 3 kann beispielsweise als Interferenzfilter ausgebildet sein und im Durchlassband ΛD eine Transmissivität T von über 0,95 oder 95 Prozent aufweisen und im Sperrband ΛS eine Transmissivität von höchstens 10-4 oder 0,01 Prozent, entsprechend einer optischen Dichte von 4, aufweisen. Bevorzugt weist der ICG - Sperrfilter 3 im Sperrband ΛS eine Transmissivität von höchstens 10-5 oder 0,001 Prozent, entsprechend einer optischen Dichte von 5, auf. Die Konstruktion von Interferenzfiltern mit einer derartigen Transmissivität T umfassend mehrere, in Lichtausbreitung nacheinander angeordnete optische Beschichtungen ist aus dem Stand der Technik bekannt.
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Der ICG - Sperrfilter 3 ist außerhalb des Gehäuses 1.1 angeordnet. Dadurch kann der vom ICG - Sperrfilter 3 absorbierte und in Wärme umgewandelte Strahlungsleistungsanteil leichter abgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Beleuchtungsvorrichtung
- 1.1
- Gehäuse
- 2
- Lichtquelle
- 3
- ICG - Sperrfilter
- 5
- Homogenisator
- 5.1
- Kollimatorobjektiv
- 5.2
- Strahlformer
- 6
- Feldblende
- A
- Austritt
- EICG
- Fluoreszenzspektrum
- EA
- Leuchtmittelemissionsspektrum
- A
- Wellenlänge
- λu
- untere Fluoreszenzwellenlänge
- λo
- obere Fluoreszenzwellenlänge
- ΛS
- Sperrband
- ΛD
- Durchlassband
- ΛABS
- Anregungswellenlängenbereich
- S
- Strahl, Strahlung
- T
- Transmissivität
- U
- Untersuchungsfeld
- X
- optische Achse
