DE19513350A1 - Filter zur Lichtsteuerung und optisches Gerät mit einem solchen Filter - Google Patents

Description

In optischen Geräten wie Operationsmikroskopen oder Endoskopen ist es bekannt, die Lichtmenge des Beleuchtungs-Strahlenganges oder der Beleuchtungseinrichtung unter Konstanthaltung der von der Lichtquelle emittierten Lichtmenge durch eingeschaltete Filter mit variabler Transmission zu regulieren.

Aus der US-A-3 599 630 ist beispielsweise eine Blitzeinrichtung für Endoskope mit einer automatischen Belichtungskontrolle bekannt, bei der die Regelung der Lichtmenge über ein drehbares Filter in der Beleuchtungseinrichtung erfolgt. Das Filter weist in Abhängigkeit vom Drehwinkel unterschiedliche Transmissionen auf. Es kann entweder als Graufilter mit variabler Absorption oder als opake Filterscheibe mit kleinen Löchern, wobei die Gesamtfläche der Löcher als Funktion des Drehwinkels variiert, oder als opake Scheibe mit einem keilförmigen Ringspalt ausgebildet sein. Bei Graufiltern führt jedoch die Absorption im Filter zu einer hohen thermischen Belastung des Filters, so daß der Dynamik-Bereich in Verbindung mit Hochleistungslampen zu gering ist. Filterscheiben mit keilförmiger Spalte schatten jeweils nur den äußeren Bereich des Beleuchtungs-Strahlenganges ab und lassen die Lichtintensität im zentralen Bereich unverändert. Als Folge davon wird neben der Lichtmenge auch die Winkelausleuchtung variiert, wobei letzteres unerwünscht ist.

Die bisher bekannten opaken Filterscheiben mit kleinen Löchern, sogenannte Siebblenden, weisen Bereiche mit unterschiedlichen Lochgrößen und damit unterschiedlichen Transmissionen auf. Die Grenzen zwischen solchen Bereichen verlaufen im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Filters. Dadurch ergeben sich auch bei diesen Filtern beim Übergang von einem Transmissionsbereich in den nächsten Inhomogenitäten in der Winkelausleuchtung. Außerdem ist die Maximaltransmission innerhalb des quasi kontinuierlichen Regelungsbereiches zu gering.

In der DE 35 26 993 ist eine Beleuchtungseinrichtung mit einem relativ dicken Filter beschrieben, das ein Raster runder, quadratischer oder sechseckiger Öffnungen aufweist und senkrecht zur optischen Achse des Beleuchtungs-Strahlenganges drehbar ist. Je nach Winkelstellung des Filters relativ zur Strahlachse erfolgt ein unterschiedlich starker Strahlbeschnitt. Durch die Verwendung quadratischer oder sechseckiger Öffnungen ist die gesamte Öffnungsfläche bei Einstellung auf maximale Transmission sehr groß, so daß dieses Filter einen sehr großen dynamischen Bereich ermöglicht. Allerdings erfolgt der Strahlbeschnitt stets nur in einer Richtung, so daß Licht aus unterschiedlichen Flächenbereichen der Lichtquelle unterschiedlich stark abgeschwächt wird. In Verbindung mit Lichtquellen mit inhomogener Leuchtdichte- Verteilung können hier Regelungsprobleme auftreten.

In der US 4 622 584 werden zur Lichtregulierung zwei Strichgitter gegeneinander bewegt, die jeweils alternierend opake und lichtdurchlässige Streifen aufweisen. Damit bei dieser Lösung bei Einstellung auf maximale Transmission nicht ein wesentlicher Anteil des Lichts abgeschattet wird, ist vor dem ersten Strichgitter ein Raster aus zylindrischen Meniskus- Linsen angeordnet. Dadurch ist dieses System relativ aufwendig.

Um einen für die Regelungstechnik besonders einfachen Zusammenhang zwischen der Winkelstellung des Filters und der transmittierten Lichtintensität zu erhalten, ist in der US-A 4 834 071 ein exponentieller Zusammenhang zwischen beiden genannten Größen vorgeschlagen. Die Abschattung selbst erfolgt jedoch auch hier durch keilförmige oder jalousieartige Blenden, so daß sich auch hier die oben genannten Nachteile hinsichtlich der Winkelausleuchtung bzw. hinsichtlich einer unterschiedlichen Abschwächung verschiedener Flächenbereiche der Lichtquelle ergeben.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein einfach aufgebautes Filter zur Lichtsteuerung anzugeben, bei dem die Ausleuchtungsverteilung weitgehend von der Lichtschwächung entkoppelt ist. Außerdem soll das Filter einen großen Dynamikbereich der Lichtabschwächung ermöglichen.

Dieses Ziel wird durch ein Filter mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Filters ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Filter weist danach in unterschiedlichen Bereichen eine unterschiedliche Transmission auf, wobei die Grenzen zwischen den Bereichen unterschiedlicher Transmission im wesentlichen V-förmig sind. Durch die V-Form der Grenzen werden beim Übergang von einem Transmissions-Bereich in den nächsten Bereiche in unterschiedlicher Entfernung von der optischen Achse des Beleuchtungssystems gleichmäßiger geschwächt.

Prinzipiell ist die Erfindung auch mit Grauglasfiltern mit unterschiedlichen Graustufen in den Bereichen anwendbar. Aus den eingangs genannten Gründen besteht jedoch das Filter vorzugsweise aus einer lichtundurchlässigen Platte mit lichtdurchlässigen Öffnungen. Die Anzahl der lichtdurchlässigen Öffnungen sollte dabei in jedem der Bereiche die gleiche sein. Außerdem ist die Anzahl der Öffnungen so optimiert, daß einerseits auf der lichtdurchlässigen Fläche möglichst viele Öffnungen vorhanden sind und andererseits genügend mechanische Stabilität verbleibt. Die unterschiedliche - über den Strahlquerschnitt integrierte - Transmission zwischen den Bereichen läßt sich dann dadurch erzielen, daß jede der Öffnungen in jedem Bereich die gleiche Fläche in unterschiedlichen Bereichen jedoch eine unterschiedliche Fläche aufweist.

Für eine hohe Maximaltransmission des Filters ist eine hohe Flächendichte der Öffnungen erforderlich. Diese läßt sich dadurch erreichen, daß jede der Öffnungen ein regelmäßiges Vieleck, vorzugsweise ein regelmäßiges Sechs- oder Achteck ist.

Ein solches Filter kann aus einer Kupferplatte bestehen, in der die lichtdurchlässigen Öffnungen durch ätzen erzeugt sind.

In einem Ausführungsbeispiel ist das Filter eine um ihr Zentrum drehbare, im wesentlichen kreisförmige Scheibe. Die Grenzen zwischen den Bereichen unterschiedlicher Transmission schließen dann mit den Radialen der Scheibe jeweils von 0° oder 180° verschiedene Winkel ein. Ein solches Filter ist dann mit seiner Drehachse koaxial zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlen­ ganges anzuordnen.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Filter eine linear verschiebbare Platte. Die Grenzen zwischen den Bereichen unterschiedlicher Transmission bilden dann von 90° oder 270° verschiedene Winkel zur Bewegungsrichtung. Dieses Filter ist dann mit seiner Bewegungsrichtung senkrecht zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlenganges anzuordnen.

Für eine automatische Helligkeitssteuerung hat es sich als besonders zweckmäßig herausgestellt, wenn jeweils benachbarte Bereiche unterschiedlicher Transmission den gleichen konstanten Winkelabstand oder den gleichen Abstand in Bewegungsrichtung aufweisen und wenn die Transmission des Filters in den unterschiedlichen Bereichen, ausgehend von einer Grundstellung, exponentiell zur Winkelposition gegenüber der Grundstellung oder exponentiell zum Abstand gegenüber der Grundstellung gegeneinander abgestuft ist.

Das erfindungsgemäße Filter wird vorzugsweise in Beleuchtungseinrichtungen für optische Instrumente eingesetzt. Besonders bevorzugt ist dabei die Verwendung des Filters in sogenannten Faserbeleuchtungen, bei denen das Licht einer Lichtquelle mittels einer Lichtleitfaser zum auszuleuchtenden Objekt geführt wird. Das erfindungsgemäße Filter ist dann zwischen der Lichtquelle und der Lichtleitfaser angeordnet.

Dabei ist das Filter insbesondere dann besonders zweckmäßig, wenn die Lichtquelle eine Gasentladungslampe ist, da die Lichtstärke von Gasentladungslampen in der Regel nicht oder nur über einen kleinen Bereich regelbar ist.

Üblicherweise weist eine solche Beleuchtungseinrichtung auch noch eine Kollektoroptik zum Sammeln und Fokussieren des aus der Lichtquelle austretenden Lichtes auf. Die Ausdehnung eines jeden Bereiches des Filters in Bewegungsrichtung sollte dann in etwa dem Durchmesser des Strahlenbündels an der Position des Filters entsprechen.

Beleuchtungseinrichtungen mit einem erfindungsgemäßen Filter werden bevorzugt mit Endoskopen oder Operations-Mikroskopen eingesetzt, da bei solchen optischen Geräten die Anforderungen an den Dynamikbereich der Objektbeleuchtung aufgrund des sich häufig schnell und stark ändernden Arbeitsabstandes besonders hoch sind. Für eine automatische Beleuchtungssteuerung sollte noch ein Detektor zur Messung der Lichtintensität am Objekt und eine Steuereinrichtung zur Bewegung des Filters vorgesehen sein. Die Bewegung des Filters durch die Steuereinrichtung erfolgt so, daß die Lichtintensität am Objekt unabhängig vom aktuellen Arbeitsabstand konstant ist.

Nachfolgend werden Einzelheiten der Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1a eine Aufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel des Filters, das im wesentlichen als Kreisscheibe ausgebildet ist;

Fig. 1b eine Aufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel, das für eine lineare Bewegung ausgelegt ist;

Fig. 1c ein Diagramm der Transmission als Funktion des Ortes bei einem Filter nach Fig. 1b; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Endoskopes mit einer ein erfindungsgemäßes Filter aufweisenden Beleuchtungseinrichtung im Schnitt.

Das Filter (1) in Fig. 1a besteht aus einer im wesentlichen kreisförmigen Kupferplatte (7), die um ihr Zentrum (6) drehbar gelagert ist. Die Kupferplatte (7) ist in ihrem ringförmigen Außenbereich in sechzehn Bereiche (1a-1p) eingeteilt. In jedem der Bereiche (1a-1p) weist die Kupferplatte (7) eingeätzte Löcher (2a-2p) auf. Jedes der Löcher (2a-2p) hat die Form eines regelmäßigen Sechsecks. Die Zentren der Löcher (2a-2p) liegen alle auf den Schnittpunkten zweier zueinander unter einem Winkel von etwa 120° geneigter äquidistanter Gitternetze (8, 9). Die Anzahl der Löcher in jedem einzelnen der Bereiche (1a-1p) ist dadurch konstant. Die Lochfläche der Löcher (2a-2p) in verschiedenen Bereichen (1a-1p) ist jedoch unterschiedlich. Dadurch weist das Filter (1) in jedem Bereich (1a-1p) eine unterschiedliche über den Strahlquerschnitt integrierte Transmission auf.

Die Grenzen (3, 4) zwischen den Bereichen (1a-1p) unterschiedlicher Transmission sind im wesentlichen V-förmig. Die Grenzlinien (3, 4) zwischen den Bereichen (1a und 1b) schneiden daher die Radialen (5) der Kreisscheibe unter einem von 0 oder 180° abweichenden Winkel. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel zwischen den Radialen (5) und den Grenzen (3, 4) etwa 45°.

Eingezeichnet ist in der Fig. 1a auch noch der Querschnitt eines Beleuchtungs-Strahlenbündels (10). Durch Drehen des Filters (1) um das Zentrum (6) in Richtung des Pfeiles (ϕ) trifft das Beleuchtungs-Strahlenbündel (10) je nach Winkelstellung des Filters (1) auf die unterschiedlichen Bereiche (1a-1p) des Filters. Aufgrund der zwischen benachbarten Bereichen, z. B. (1a und 1b), unterschiedlichen Öffnungsfläche der Löcher (2a, 2b) variiert dann die Transmission des Filters und damit die Intensität des transmittierten Lichtes. Da die Grenzen (3, 4) zwischen den Bereichen (1a, 1b) V-förmig sind, werden Bereiche des Beleuchtungsstrahlenbündels (10) mit unterschiedlichen Entfernungen von der optischen Achse (10a) gleichmäßig geschwächt, so daß mit dem erfindungsgemäßen Filter eine gleichmäßige Winkelausleuchtung unabhängig von der Winkelposition des Filters gewährleistet ist.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1b ist das Filter als linear in Richtung des Doppel-Pfeiles (x) verstellbare Platte ausgebildet. Das Filter (20) weist wiederum eine Vielzahl von Bereichen unterschiedlicher Transmission auf, von denen hier drei Bereiche (20a, 20b, 20c) dargestellt sind. Auch hier liegen die Öffnungen (21a, 21b, 21c) auf zwei sich schneidenden, äquidistanten Gitternetzlinien, so daß die Anzahl der Öffnungen (21a-21c) in jedem der Bereiche gleich ist. Auch hier variiert jedoch von Bereich (20a) zu Bereich (20b) die Öffnungsfläche eines jeden der quadratischen Löcher. Dadurch hat auch dieses Filter (20) in jedem der Bereiche (20a, 20b, 20c) jeweils eine konstante Transmission, die zwischen den Bereichen (20a, 20b, 20c) variiert. Die Grenzen (22, 23) zwischen den Bereichen (21a, 21b) sind auch hier wiederum V-förmig, d. h. sie stehen zur Bewegungsrichtung (x) unter einem von 90° und 270° abweichenden Winkel. Auch hier entspricht der Abstand der Bereiche unterschiedlicher Transmission (21a, 21b) in Bewegungsrichtung (x) in etwa dem Strahlquerschnitt des Beleuchtungsstrahlenbündels (24). Eine Bewegung des Filters (20) in Richtung des Doppel-Pfeiles (x) führt auch hier zu einer unterschiedlichen Schwächung des Beleuchtungsstrahlen­ bündels. Die Öffnungsflächen (21a, 21b) in den unterschiedlichen Bereichen (20a, 20b) sind dabei so abgestuft, daß sich für das Filter über den gesamten Strahlquerschnitt des Beleuchtungsstrahlenbündels (24) ein exponentieller Zusammenhang zwischen der über den Strahlquerschnitt integrierten Transmission und der Filterposition ergibt, wie dies in Fig. 1c dargestellt ist. Dieses wird dadurch erreicht, daß ausgehend von einer Grundstellung auf dem Filter die Fläche eines jeden Loches exponentiell zum nächsten Bereich zu- oder abnimmt. Ist F₁ beispielsweise die Lochfläche im Bereich (20a), dann gilt für die Lochfläche F_i in einem vom Bereich (20a) um i Bereiche beabstandeten Bereich (20i)

F_i = F₁ exp (-ik), mit i = 1, 2, . . . , n,

wobei k eine Konstante und n die Gesamtzahl der Bereiche (20a-20c) ist. Dadurch ist unabhängig von der Filterposition die relative Änderung ΔT : T der Transmission aufgrund einer Verschiebung Δx konstant, was für die Intensitätsregelung besonders vorteilhaft ist. Eine Schwingungsneigung der Intensitätsregelung, die bei anderen Transmissions-Abstufungen auftritt, ist vermieden.

Der gleiche Verlauf der Transmission als Funktion des Drehwinkels (ϕ) ist auch beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a realisiert, so daß auch beim Filter (1) die gesagten Vorteile bezüglich der Regel-Charakteristik erfüllt sind.

Das Endoskop (35) in Fig. 2 weist eine Beleuchtungs- Einrichtung (30) mit dem anhand der Fig. 1a beschriebenen Filter (1) auf. Die Beleuchtungseinrichtung (30) hat eine Xenonlampe (31), deren Intensität selbst nicht regelbar ist. Das aus der Xenonlampe (31) austretende Licht wird über eine Kollektoroptik (32) auf die Stirnfläche des Lichtleitkabels (34) des Endoskops (35) fokussiert und in dieses eingekoppelt. Es dient zur Ausleuchtung des endoskopisch zu beobachtenden Objektes (42). Zwischen der Kollektoroptik (32) und der Eintrittsfläche des Lichtleiterkabels (34) ist das erfindungsgemäße Filter (1) so angeordnet, daß das kovergente Strahlenbündel auf den gelochten Ringbereich des Filters (1) fällt. Das Filter (1) ist mit Hilfe des Motors (41) um eine zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlenganges parallele Achse (6) drehbar.

Das Objekt (42) wird über die Endoskopoptik (36, 37, 38) reell auf einen Detektor (39) abgebildet, der hier als Sensor einer Videokamera ausgebildet ist. Das Videosignal des Detektors (39) ist einer elektronischen Beleuchtungssteuerung (40) zugeführt.

Diese Beleuchtungssteuerung (40) gibt ein Ausgangssignal für den Motor (41) des Filters (1) aus. Über einen Einstellknopf (40a) ist die Sollintensität der Beleuchtungseinrichtung in der Ebene des Objektes (42) einstellbar. Entsprechend der Stellung des Einstellknopfes (40a) wird dazu der Motor (41) gedreht, bis sich der erforderliche Bereich des Filters (1) im konvergenten Strahlengang befindet. Ändert sich nachfolgend die Lichtintensität auf der Probenoberfläche (42), beispielsweise aufgrund einer Änderung des Arbeitsabstandes zwischen dem Endoskop (35) und der Probe (42), so erzeugt die Beleuchtungssteuerung (40) aus dem geänderten Signal des Detektors (39) ein Steuersignal, das dem Motor (41) zugeführt ist und das Filter (1) so im Beleuchtungsstrahlengang nachfährt, daß die Lichtintensität auf dem Objekt (42) konstant ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Filters (1) wird unabhängig von der momentanen Filterposition eine gleichmäßige Winkelausleuchtung und homogene Ausleuchtung des Objektes (42) erzielt. Durch den Exponential-Zusammenhang zwischen der Transmission des Filters (1) und dessen Winkelstellung (ϕ) ergibt sich ein direkt-proportionaler Zusammenhang zwischen der relativen Intensitätsänderung auf dem Detektor (39) und dem zur Konstanthaltung der Lichtintensität erforderlichen Drehwinkel (ϕ). Dadurch ist stets eine exakte Regelung gewährleistet, die nicht zu Schwingungen neigt.

Claims (13)

1. Filter zur Lichtsteuerung, wobei das Filter (1; 20) in unterschiedlichen Bereichen (1a-1p; 20a-20c) eine unterschiedliche Transmission aufweist und wobei die Grenzen (3, 4; 22, 23) zwischen den Bereichen (1a-1p; 20a-20c) unterschiedlicher Transmission im wesentlichen V-förmig sind.

2. Filter nach Anspruch 1, wobei die Transmission in jedem der Bereiche (1a-1p; 20a-20c) unterschiedlicher Transmission konstant ist.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Filter aus einer lichtundurchlässigen Platte (7) mit lichtdurchlässigen Öffnungen (2a-2p; 21a-21c) besteht.

4. Filter nach Anspruch 3, wobei jede der lichtdurchlässigen Öffnungen (2a-2p; 21a-21c) innerhalb eines jeden Bereiches (1a-1p; 20a-20c) die gleiche Fläche, die zu Bereichen (1a-1p; 21a-21c) unterschiedlicher Transmission gehörenden lichtdurchlässigen Öffnungen (2a-2p; 21a-21c) jedoch unterschiedliche Flächen aufweisen.

5. Filter nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die lichtdurchlässigen Öffnungen (2a-2p; 21a-21c) regelmäßige Vielecke, vorzugsweise Quadrate, regelmäßige Sechs- oder Achtecke sind.

6. Filter nach einem der Ansprüche 3-5, wobei die lichtundurchlässige Platte (7) aus Kupfer besteht und die lichtdurchlässigen Öffnungen (2a-2p; 21a-21c) durch Ätzen erzeugt sind.

7. Filter nach einem der Ansprüche 1-6, wobei das Filter eine um ihr Zentrum (6) drehbare kreisförmige Scheibe ist und die Grenzen (3, 4) zwischen den Bereichen (1a-1p) unterschiedlicher Transmission einen von Null oder 180° verschiedenen Winkel mit den Radialen (5) der Scheibe (7) einschließen.

8. Filter nach einem der Ansprüche 1-6, wobei das Filter eine linear verschiebbare Platte ist und die Grenzen (22, 23) zwischen den Bereichen (20a-20c) unterschiedlicher Transmission einen von 90° oder 270° verschiedenen Winkel zur Bewegungsrichtung bilden.

9. Filter nach Anspruch 7 oder 8, wobei jeweils zwei benachbarte Bereiche unterschiedlicher Transmission den gleichen konstanten Winkelabstand oder den gleichen Abstand in Bewegungsrichtung aufweisen und wobei die Transmission des Filters in den unterschiedlichen Bereichen (1a-1p; 21a-21c) ausgehend von einer Grundstellung exponentiell zur Winkelposition (ϕ) gegenüber der Grundstellung oder exponentiell zum Abstand gegenüber der Grundstellung gegeneinander abgestuft sind.

10. Beleuchtungseinrichtung mit einem Beleuchtungsstrahlen­ gang, durch den das Licht einer Lichtquelle (31) zum auszuleuchtenden Objekt (42) geführt ist, wobei im Beleuchtungsstrahlengang ein Filter (1) nach einem der Ansprüche 1-9 angeordnet ist.

11. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 10, wobei die Lichtquelle (31) eine Gasentladungslampe ist.

12. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei eine Kollektoroptik (32) vorgesehen ist und wobei die Ausdehnung eines jeden Bereiches (1a-1p; 20a-20c) unterschiedlicher Transmission in Bewegungsrichtung dem Strahldurchmesser des Strahlenbündels am Filter entspricht.

13. Optisches Beobachtungsgerät mit einer Beleuchtungs­ einrichtung nach einem der Ansprüche 10-12, mit einem Detektor (39) zur Messung der Lichtintensität am Objekt (42) und mit einer Steuereinrichtung (40, 41) zur Bewegung des Filters (1), wobei die Bewegung des Filters (1) derart erfolgt, daß die Lichtintensität am Objekt (42) konstant ist.