DE69527571T2

DE69527571T2 - Sichtgerät mit Bildverstärkung

Info

Publication number: DE69527571T2
Application number: DE69527571T
Authority: DE
Inventors: Richard E. Forkey
Original assignee: Precision Optics Corp Inc
Current assignee: Precision Optics Corp Inc
Priority date: 1994-05-13
Filing date: 1995-05-12
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2015-05-13
Also published as: US5733246A; TW387560U; EP0682451A3; EP0682451A2; MY130920A; EP0682451B1; DE69527571D1; JPH0879581A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Sichtgeräte, um Bilder von entfernten Stellen bei medizinischen und industriellen Anwendungen zu gewinnen. Spezieller bezieht sich diese Erfindung auf ein verbessertes Sichtgerät, das Farbbilder von schwach beleuchteten Gegenständen gewinnen kann.

Beschreibung der verwandten Technik

Sichtgeräte, die einem Betrachter ermöglichen, das Innere einer entfernten Kammer zu betrachten, sind in der Technik wohlbekannt. In industriellem Umfeld kann eine entfernte Kammer das Innere einer Maschine sein, beispielsweise ein Düsentriebwerk. Betrachtungsgeräte die bei solchen Anwendungen benutzt werden, werden "Boroskope" genannt. Bei medizinischen Anwendungen kann die entfernte Kammer ein Durchgang im Körper sein. Allgemein werden Sichtgeräte für solche medizinischen Anwendungen "Endoskope" genannt. Oftmals weisen Endoskope weitere Namen auf, die sich von ihrer beabsichtigten Verwendung ableiten. "Laparoskope" und "Bronchoskope" sind Beispiele. In der folgenden Besprechung beinhaltet der Ausdruck "Sichtgerät" sowohl (1) Boroskope als auch (2) Endoskope in jeglicher Form, einschließlich Laparoskope, Bronchoskope und weitere medizinische Sichtgeräte.
Jedes dieser Sichtgeräte ist ein langgestrecktes, schlankes, röhrenförmiges optisches Instrument, das als Betrachtungssystem für eine spezielle Anwendung benutzt wird, und diese Anwendung bestimmt sowohl die Länge als auch den Durchmesser des Sichtgerätes. Jedes Sichtgerät besitzt allgemein ein Objektiv an einem distalen Ende des Sichtgerätes und eine Okular am proximalen Ende. Das Objektiv bildet ein reelles Bild in einer Gegenstandsebene von Gegenständen in einem Gesichtsfeld. Das Okular ermöglicht es, ein Bild an einer Okular-Bildebene zu betrachten. Das Okular überträgt dieses Bild normalerweise unmittelbar auf ein menschliches Auge oder auf eine Fernseh- oder Fotokamera.
Normalerweise sind das Objektiv und das Okular in einem Abstand voneinander, um die erforderliche Arbeitslänge zur Verfügung zu stellen, so dass ein vorbestimmter Abstand zwischen den Bildebenen von Objektiv und Okular besteht. Demzufolge trägt das Gehäuse auch eine Bildübertragungsvorrichtung, um der Okular-Bildebene ein Bild mit im wesentlichen der gleichen Helligkeit, räumlichen Auflösung und Kontrastauflösung zu bieten wie das Bild in der Objektiv-Bildebene.
Bildübertragungsvorrichtungen haben allgemein eine von drei Formen, basierend auf der Verwendung (1) optischer Fasern, (2) Stablinsen oder (3) einer Kombination aus Übertragungs- und Feldlinsen. Der Prozeß der Auslegung einer solchen Bildübertragungsvorrichtung sämtlicher dieser Formen beinhaltet eine Berücksichtigung einer Anzahl von Faktoren. Helligkeit, räumliche Auflösung und Kontrastauflösung sind primäre Auslegungsfaktoren. Weitere Faktoren beinhalten Aberrationen, etwa Feldkrümmung, Astigmatismus und Farbe. Wenn jedoch eine Bildübertragungsvorrichtung gut ausgelegt ist, kann das Objektiv und/oder Okular jegliche Aberrationen kompensieren, die die Bildübertragungsvorrichtung einführen mag. Bei manchen Anwendungen sind die Auslegungsziele von Sichtgerät und dem optischen System, das das Sichtgerät enthält, zueinander antithetisch. Normalerweise erreichen optische Systeme die Ziele der maximalen Helligkeit, räumlichen Auflösung und Kontrastauflösung sowie der treuen Farbwiedergabe durch Vergrößerung der wirksamen Apertur des optischen Systems oder durch Steuerung des Pegels des Beleuchtungslichtes oder durch beides. Jedoch fordern die Auslegungsziele für Sichtgeräte, insbesondere für medizinische Anwendungen, gewöhnlich, dass der Gesamtdurchmesser des Sichtgerätes auf einer minimalen Abmessung gehalten wird und dass der vom optischen System beanspruchte Querschnitt minimiert ist, um Arbeitskanälen gerecht zu werden, die den Betrieb des Gerätes am distalen Ende des Sichtgerätes möglich machen. Diese Einschränkung bildet eine praktische Grenze für die effektive Aperturgröße.
Bekanntlich ändert sich das effektive Licht des optischen Systems mit dem Quadrat der Apertur, so dass die Begrenzung oder Verringerung der wirksamen Apertur des Systems eine bedeutende Erhöhung des Pegels des Beleuchtungslichts am entfernten Gegenstand erfordern kann. Dies führt zu einer Zunahme der örtlichen Erhitzung aufgrund der erhöhten Helligkeit der Lichtquelle. Bei manchen Anwendungen, insbesondere medizinischen Anwendungen, ist eine solche Zunahme der örtlichen Erhitzung nicht annehmbar. Demzufolge fordert die Auslegung eines speziellen Sichtgerätes einen Kompromiß zwischen diesen konkurrierenden Auslegungszielen. In manchen Situationen kann dieser Kompromiß sogar beinhalten, dass man die Wiedergabe eines monochromen Bildes akzeptiert.
Es wäre auch wünschenswert, wenn Sichtgeräte die Möglichkeit bieten würden, Bilder in drei Dimensionen zu betrachten. Eine solche Möglichkeit erfordert jedoch diskrete optische Kanäle und vergrößert die Schwierigkeiten weiter, einen vernünftigen Kompromiß über die widerstreitenden Kriterien der Größe des Sichtgerätes, der effektiven Apertur und der Helligkeit der Lichtquelle zu erreichen. In vielen Situationen ist kein Kompromiß möglich, so dass das Sichtgerät lediglich ein ebenes Bild liefert.
Bei Versuchen, die Grenzen zu überwinden, die bei der Auslegung von Sichtgeräten bestehen, benutzen einige Sichtgeräte Systeme des Standes der Technik Farbschaltergeräte, um ein gutes Farbvideobild eines Gegenstandes am distalen Ende des Sichtgerätes zu erhalten. Die folgenden Patente offenbaren derartige Systeme des Standes der Technik:
US-A-4713683 (1987) Fujimori u. a.
US-A-4736734 (1988) Matsuura u. a.
US-A-4742388 (1988) Cooper u. a.
US-A-4800424 (1989) Noguchi
US-A-4816909 (1989) Kimura u. a.
US-A-4821116 (1989) Nagasaki u. a.
US-A-4866526 (1989) Ams u. a.
US-A-4878113 (1989) Nakamura
US-A-4951133 (1990) Onoda
US-A-4974936 (1990) Ams u. a.
US-A-4987884 (1991) Nishioka u. a.
US-A-5078150 (1992) Hara u. a.
Das USA-Patent US-A-4713683 offenbart ein Gerät zur Wiedergabe eines Fabrbildes, das von einem Endoskop erhalten wird, auf einem Videomonitor. Eine rotierende Farbscheibe, die zwischen einen Gegenstand und eine Lichtquelle eingesetzt ist, erzeugt eine Sequenz monochromer Farben bei unterschiedlichen Wellenlängen, um den Gegenstand zu beleuchten. Die rotierende Farbscheibe arbeitet synchron mit Speichern, die in jedem aufeinanderfolgende Einzelbilder aufzeichnen, welche erhalten werden, während eine entsprechende monochrome Farbe den Gegenstand beleuchtet.
Weiterentwicklungen solcher Systeme wurden ebenfalls vorgenommen. Beispielsweise offenbart das USA-Patent US-A-4736734 ein analoges System, das die weitere Fähigkeit besitzt, den Sichtwinkel des optischen Systems zu verändern, und einen Bildvergrößerungsprozessor mit zwei Einzelbildspeichern, die das Bild in horizontaler bzw. vertikaler Richtung vergrößern. In dem USA-Patent US-A4742388 richtet eine Lichtquelle sequentielle Felder roten, grünen und blauen Lichts in einen Hohlraum. Ein Videoprozessor wandelt das Signal von einem Bildsensor in ein zusammengesetztes Videosignal um, und eine Mehrzahl von Farbfiltern ändert die wahre Farbe des Bildes, das auf dem Monitor erscheint.
In dem USA-Patent US-A-4800424 beinhaltet eine Lichtquelle eine Lampe, welche blitzt, um die ausgestrahlten Lichtmengen des farbigen Lichts von einem rotierenden Filter zu steuern, der mit verschiedenen Farbfiltern versehen ist. Das USA-Patent US-A-4816909 offenbart ein Endoskop mit einer Farbabbildungsvorrichtung und einem Signalprozessor, der die Verstärkung von Farbsignalen steuert. Zusätzlich benutzt der Signalprozessor die Anzahl von Pixeln in dem delektierten Bild, um ein endgültiges Bild zu erhalten. Das Endoskop bei dem USA-Patent US-A-4821116 beinhaltet ein Halbleiter-Aufnehmerelement und eine Lichtsteuerung in Form eines Flüssigkristallfilters, das das Licht während jedes Intervalls auslöscht, in dem ein Signal von dem Halbleiter-Aufnehmerelement gelesen wird.
Weitere Abwandlungen sind im USA-Patent US-A-4866526 gezeigt, in dem eine Lampe gepulst wird, um den von der Lampe ausgesandten Lichtstrom als Funktion des Ist-Wertes der Amplitude des Videosignals zu steuern. Im USA-Patent US-A-4878113 teilt ein Videogerät, das mit einem Endoskop verbunden ist, ein Gegenstandsbild in Bilder einer Mehrzahl von Wellenlängen auf. Das USA-Patent US-A-4951133 offenbart ein Endoskop mit ei nem rotierenden Filtergerät, das das Beleuchtungslicht verschiedener Wellenlängen sequentiell überträgt und ein Gerät beinhaltet, um den Charakter des Lichts zu verändern, etwa durch Blockierung der Übertragung von Infrarotstrahlen. Im USA-Patent US-A-4974936 beinhaltet ein rotierendes Filtergerät ein Farbrad und ein Läuferrad, welche diskrete Lichtimpulse mit verschiedenen Wellenlängen liefern. Das USA-Patent US-A-4987884 offenbart ebenfalls ein Endoskop, das eine Halbleiter-Bildaufnehmervorrichtung benutzt. In diesem Patent ist ein Filter im Vordergrund der Aufnehmervorrichtung angeordnet. Dieses Filter entfernt Lichtkomponenten, die solche Wellenlängen besitzen, die für eine Betrachtung nicht nützlich sind. Das Filter kann eine Komponente der Objektivlinse sein. Ein Endoskop beinhaltet im USA-Patent US-A-5078150 eine sequentielle Beleuchtungslichtquelle und ein Speichermittel, das Spektraldaten speichert, um eine Berechnung der Spektralverteilung an dem Bild durchführen zu können, das von dem Endoskop erhalten wird.
Bei allgemeinen optischen Anwendungen werden Bildverstärker oft benutzt, um die Helligkeit eines Bildes zu verbessern, das schwach beleuchtet ist. Solche Bildverstärker erzeugen Jedoch im wesentlichen monochrome Ausgangssignale. Die folgenden Patente offenbaren die Verwendung solcher Bildverstärker bei Sichtgeräten und anderen Vorrichtungen:
US-A-3231746 (1966) Goodrich
US-A-3267283 (1966) Kapany
US-A-4374325 (1983) Howorth
US-A-4821117 (1989) Sekiguchi
US-A-4993404 (1991) Lane
Das USA-Patent US-A-3231746 offenbart eine Bildverstärkervorrichtung die einen Elektronenvervielfacher benützt, um Farbverstärkung zu liefern. Drehbare Farbräder sind an einander entgegengesetzten Seiten des Bildverstärkers angeordnet, um die Wellenlänge des reflektierten Bildes zu verändern, das verschiedene Teile des Bildverstärkers in Aufeinanderfolge erreicht.
Im USA-Patent US-A-3267283 regen Röntgenstrahlen von einem Gegenstand Szintillatorkristalle an, welche auf unterschiedliche Energiepegel ansprechen. Das Licht von diesen Kristallen tritt in einen Bildverstärker ein. Die verstärkten Signale werden dann auf Cluster von Fasern unterschiedlicher Farben aufgebracht, die der Position von Kristallen unterschiedlicher Energiepegel entsprechen. Demzufolge gibt das Gerät bei diesem Patent ein Farbmuster wieder, das der Verteilung der Röntgenstrahlenenergie entspricht.
Das USA-Patent US-A-4374325 offenbart einen Bildverstärker mit Farbfiltern an seinen Eingangs- und Ausgangsflächen, um ein Farbbild zu verstärken/ ohne Farbgehalt zu verlieren. Die verschiedenen Filterelemente sind sowohl bei den Eingangs- als auch den Ausgangsfiltern genau ausgerichtet.
Gemäß dem USA-Patent US-A-4821117 betrachtet ein Endoskop ein inneres Organ, das eine fluoreszierende Beschichtung aufweist. Eine Lichtquelle beleuchtet den Bereich intermittierend, um ein entsprechendes Videobild zu erhalten. Alternativ bestrahlt ein Laser das Objekt, um das fluoreszierende Material zu erregen und ein Bild zu erzeugen. Ein Bildverstärker empfängt dieses zweite Bild, jedoch nicht das erste. Das erste Bild und das verstärkte zweite Bild werden gleichzeitig wiedergegeben.
Das USA-Patent US-A-4993404 offenbart eine Fluoroskop- Schaltervorrichtung, um die Ausgangssignale von einem Fluoroskop und einem Endoskop zu betrachten. Bei diesem Gerät ist ein Lichtverstärker so angeordnet, dass er Röntgenstrahlen empfängt, die von einem Patienten ausgesandt werden, bevor sie von einer Videokamera empfangen werden. Der Bildverstärker wird in Verbindung mit dem Bild von dem Endoskop nicht verwendet.
Jedes dieser Patente offenbart verschiedene Ansätze, um die Farbwiedergabe von Bildern zu verbessern. Einige ändern die Wellenlänge des Lichtes, das auf einen Gegenstand auftrifft. Andere ändern die Wellenlänge des von dem Gegenstand reflektierten Lichtes. Wiederum andere offenbaren die Verwendung von Bildverstärkern in Verbindung mit monochromatischen Betrachtungssystemen. Jedoch erfordern die obigen Sichtgeräte des Standes der Technik, insbesondere medizinische Endoskope, weiterhin ziemlich helle Lichtquellen, die gewöhnlich speziell für diese Anwendungen hergestellt werden, um vernünftige Bildeigenschaften zu erreichen. Außerdem werden diese hellen Lichtquellen gleichfalls benötigt, wenn Farbverbesserung bei Geräten angestrebt wird, die rotierende Farbfilter und Farbverarbeitungssysteme benutzen. Ferner schließen die verschiedenen Einschränkungen, die bei solchen Sichtgeräten gegeben sind, die Möglichkeit aus, irgendeine dieser Strukturen anzuwenden, um ein Sichtgerät für die Erzeugung von Stereobildern geeignet zu machen.
US-A-5241170 offenbart die Benutzung von farbschützenden Bildverstärkern und auch die Modulation sowohl auffallenden als auch reflektierten Lichtes unter Verwendung sequentieller Farbfilter, um die Farbe von Bildern zu verbessern, die bei der Anwendung eines endoskopischen Sichtgerätes betrachtet werden. Die Benutzung sequentiell modulierter roter, grüner und blauer LEDs, um eine Beleuchtung des Gegenstandes zu liefern, und die Bildverarbeitung durch Videoprozessormittel werden ebenfalls offenbart.
In JP-A-58042023 ist ein Endoskop offenbart, bei dem mehrere Lichtquellen am distalen Ende des Gerätes jede mit roten, grünen oder blauen Filtern verbunden sind, wobei besagte Lichtquellen dazu benutzt werden/ um den Gegenstand zu beleuchten.
US-A-4862873 offenbart ein endoskopisches Sichtgerät, bei dem zwei Bildübertragungskanäle benutzt werden, zusammen mit einem Bildprozessormittel und sychronisierten Okularen, um stereoskopische Bilddarstellungen zu erreichen.

Abriß

Daher ist es ein Ziel dieser Erfindung ein Betrachtungsgerät für schwach beleuchtete Gegenstände zur Verfügung zu stellen, das Farbbilder mit guten Eigenschaften liefert.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, ein Sichtgerät zur Verfügung zu stellen, das für einen schwach beleuchteten Gegenstand Bilder mit guter Helligkeit, Raum- und Kontrastauflösung sowie Farbwiedergabe zur Verfügung stellt.
Noch ein anderes Ziel dieser Erfindung ist es, ein optisches System zur Verfügung zu stellen, um Farbwiedergaben von Bildern zu liefern, die durch Endoskope erhalten werden.
Ein noch weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, ein optisches System zur Verfügung zu stellen, um Stereo-Farbwiedergaben von Bildern zu liefern, die durch Endoskope erhalten sind.
Ein noch weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, ein optisches System zur Verfügung zu stellen, um Farbwiedergaben von Bildern zu liefern, die von Endoskopen erhalten sind, die das Volumen des dem optischen System zugeeigneten Endoskops minimieren.
Ein noch weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, ein Endoskop zur Verfügung stellen/ das Farbbilder hoher Güte von einem Gegenstand unter Benutzung schwacher Beleuchtungspegel erzeugen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Sichtgerät vorgesehen, um von einem proximalen Ende desselben einen Gegenstand an einem distalen Ende zu betrachten, wobei genanntes Sichtgerät aufweist:
A. Lichtübertragungsmittel, um eine iterative, getaktete, gemusterte Sequenz von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen auf den Gegenstand zu richten,
8. ein Bilderzeugungsmittel, um am proximalen Ende ein Bild des Gegenstandes in Abhängigkeit von dem Licht der genannten Lichtübertragungsmittel zu bilden, das von dem Gegenstand reflektiert wird,
C. ein Bildverstärkermittel, um für jede der verschiedenen Wellenlängen in der gemusterten Sequenz ein verstärktes, monochromes Bild des Gegenstandes zu erzeugen, und
D. ein Bildverarbeitungsmittel, das mit dem genannten Bildverstärkermittel verbunden ist, um iterativ die Aufeinanderfolge monochromer Einzelbilder, die während jeder Musteriteration durch das genannte Bildverstärkermittel erzeugt werden, elektronisch zu verarbeiten, um ein integriertes Farbbild des am distalen Ende des genannten Sichtgerätes befindlichen Gegenstandes sichtbar zu machen,
dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Lichtübertragungsmittel Licht in den Wellenlängen roten, blauen und grünen Lichtes erzeugt und der genannte Bildverstärker eine erhöhte Empfindlichkeit für blaues Licht zur Verfügung stellt, um ein im wesentlichen gleichförmiges Ausgangssignal in Abhängigkeit von im wesentlichen gleichen Helligkeiten des Lichtes bei Jeder der roten, blauen und grünen Wellenlängen zu erzeugen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt ein endoskopisches Sichtgerät zur Verfügung, um von einem proximalen Ende desselben Gegenstände an einem distalen Ende zu betrachten, die im Körper eines Individuums gelegen sind, mit einem röhrenförmigen Gehäuse, das sich zwischen proximalem und distalem Ende erstreckt. Das röhrenförmige Gehäuse trägt einen Lichtübertrager, um auf den Gegenstand am distalen Ende des genannten Gehäuses eine iterative, getaktete, gemusterte Sequenz von Licht mit verschiedenen Wellenlängen zu richten. Eine Objektivlinse am genannten distalen Ende des Gehäuses formt ein Bild in Abhängigkeit von dem Licht von dem genannten Lichtübertragungsmittel, und ein Bildübertragungsgerät in dem Gehäuse fokussiert das Bild auf einen monochromen Bildverstärker. Der Bildverstärker erzeugt eine Sequenz verstärkter monochromer Bilder für jede Wellenlänge des Lichtes in dem Muster, das den Gegenstand beleuchtet. Eine Videokamera, die mit dem Verstärker verbunden ist, und ein Videoprozessor, der mit der Videokamera verbunden ist, integrieren die Aufeinanderfolge der Einzelbilder, die während jedem Iterationsmuster erzeugt werden, um ein integriertes Farbbild des am distalen Ende des Endoskopes befindlichen Bildes zu erzeugen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die beigefügten Ansprüche legen den Gegenstand dieser Erfindung in spezieller Weise dar und beanspruchen ihn klar. Die verschiedenen Ziele, Vorteile und Merkmale dieser Erfindung ergeben sich vollständiger aus dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen sich auf gleiche Teile beziehen und in denen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Sichtgerätes ist, das gemäß dieser Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Videoprozessors für die Verwendung bei dem in Fig. 1 gezeigten Sichtgerät ist;
Fig. 3A und 3B alternative Ausführungsbeispiele eines Farbfilterrades darstellen, das in Verbindung mit dem Sichtgerät von Fig. 1 nützlich ist;
Fig. 4 eine alternative Lichtquelle für das Sichtgerät von Fig. 1 darstellt und
Fig. 5 in schematischer Form ein Sichtgerät darstellt, das für die Lieferung von Stereobildern eingerichtet ist.
Beschreibung illustrativer Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 weist ein Sichtgerät 10, beispielsweise ein medizinisches Endoskop, einen Körperteil 11 auf, der sich zwischen einem proximalen Teil an einem proximalen Ende 12 und einem distalen Teil an einem distalen Ende 13 erstreckt, wobei "proximal" und "distal" unter Bezugnahme auf die individuelle Benutzung des Sichtgerätes benutzt werden. Eine Lichtquelle 14 sendet Licht im sichtbaren Spektrum durch einen optischen Wellenleiter, beispielsweise einen faseroptischen Wellenleiter 15, der sich mit einem faseroptischen Wellenleiter 16 innerhalb des Gehäuses 17 koppelt. Das Gehäuse 17 definiert die äußere Oberfläche des Körperteiles 11.
Nachdem das Sichtgerät 10 in Stellung gebracht ist, d. h. innerhalb eines Gefäßes im Körper eines Patienten im Fall eines medizinischen Endoskopes, tritt Licht aus dem faseroptischen Wellenleiter 16 am distalen Ende 13 aus, um einen Gegenstand 20 zu beleuchten. Ein Objektiv 21 fängt Licht, das vom Gegenstand 20 reflektiert wird, ein und formt ein Bild, welches ein Bildübertragungs-Wellenleiter 22 auf ein Okular 23 am proximalen Ende 12 überträgt. Der Wellenleiter 22 kann entweder faseroptische Stränge oder übliche Linsen enthalten. Faseroptische Stränge sind insbesondere an eine Benutzung bei flexiblen Sichtgeräten angepaßt, während übliche Linsen für die Verwendung bei starren Sichtgeräten passend sind, beispielsweise Laparoskopen. Das Okular 23 fokussiert das vom Wellenleiter 22 erhaltene Bild auf einem Videosystem 24, das ein Eingangssignal für einen Videoprozessor 25 erzeugt. Der Videoprozessor 25 erzeugt ein Bild auf dem Bildschirm eines Videomonitors 26.
Gemäß dieser Erfindung beinhaltet die Lichtquelle 14 eine Energieversorgung 30, die eine Lampe 31 speist. Anders als die beim Stand der Technik benutzten Hochleistungslampen kann die Lampe 31 eine übliche Glühlichtbirne sein, die ein Licht über das gesamte sichtbare Spektrum erzeugt. Linsen 32 und 33 fokussieren dieses Licht auf ein Ende 34 des faseroptischen Wellenleiters 15 und werfen dieses Licht durch ein Fabrfilterrad 35, das auf einer Welle 36 angebracht ist. Ein Motor 37 treibt die Welle 36 und das darauf angebrachte Filterrad 35 mit einer bekannten, im wesentlichen konstanten Winkelgeschwindigkeit. Indizes, die später näher beschrieben werden, ermöglichen es einem Sensor 38 und einem Positionskodierer 40, Synchronisiersignale zu erzeugen, die eine Positions- und Taktinformation für den Videoprozessor 25 liefern. Diese ist in Fig. 1 und 2 als FILTER SYNC Signale identifiziert.
Generell enthält das Filterrad 35 an diskreten Winkelpositionen Farbfilter. Normalerweise sind die Filter aus den Pirmärfarben ausgewählt. Somit wird, wenn der Motor 37 das Filterrad 35 dreht, das weiße Licht der Birne 30 in eine iterative, getaktete, gemusterte Sequenz von Licht mit verschiedenen Wellenlängen umgewandelt, normalerweise rotem, grünem und blauem Licht entsprechend. Das von dem distalen Ende 13 des faseroptischen Wellenleiters 16 ausgehende Licht beleuchtet daher den Gegenstand 20 mit der gleichen getakteten, gemusterten Sequenz von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen. Darüber hinaus wird das gleiche Muster aus Licht verschiedener Wellenlängen als ein Bild dem Okular 23 eingekoppelt.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung beinhaltet das Videosystem 24 einen Bildverstärker 41 und eine Videokamera 42. Der Bildverstärker 41, der vorzugsweise dazu ausgelegt ist, um ein verbessertes Ausgangssignal für Licht in den Blauwellenlängen zu erzeugen, erhöht die Helligkeit des vom Okular 23 erhaltenen Bildes. Wegen des monochromatischen Ausgangssignales solcher Bildverstärker erzeugt jedoch die Videokamera 42 ein monochromatisches Bild, das sie an den Videoprozessor 25 überführt. Dieses Signal wird als ein RGB SEQ SIG Signal in Fig. 1 und 2 bezeichnet. Es enthält Farbinformation, jedoch in einer multiplexen, taktgestückelten Weise, die durch die Drehung und den Aufbau des Filterrades 35 bestimmt ist.
Noch auf Fig. 1 und 2 Bezug nehmend, beinhaltet der Videoprozessor 25 eine übliche Bildfangschaltung 43, die das RGB SEQ SIG von der Videokamera 42 erhält und einen Adressengenerator 44 aufweist, der die FILTER SYNC Signale von der Lichtquelle 14 erhält. Eine Kontrollerschaltung 45 synchronisiert die Bildfangschaltung 43 mit der Tätigkeit des Filterrades 35 durch das FILTER SYNC Signal. Genauer gesagt ist eine Reihe diskreter Intervalle während jeder Umdrehung des Filterrades vorhanden, während denen das Licht von der Lichtquelle 14 eine konstante Wellenlänge besitzt, entsprechend dem speziellen roten, grünen oder blauen Filter, der das Licht von der Birne 30 in Fig. 1 abfängt, jeder Filter im Filterrad 35 ist so bemessen, dass diese Intervall den Zeitraum übersteigt, der erforderlich ist, damit die Videokamera 42 eine Einzelbildinformation überträgt und damit die Bildfangschaltung 43 die gesamte Information für dieses Einzelbild aufzeichnet. Jedes derartige Einzelbild entspricht nun der roten, grünen oder blauen Lichtkomponente, welche von einem der Farbfilter im Filterrad 35 übertragen wird. Somit erzeugt die Bildfangschaltung 43 an ihrem Ausgang sämtliche Informationen betreffend dieser Farbkomponente für ein Einzelbild. Der Adressengenerator 44 erzeugt für jede Farbkomponente eine Adresse für einen Bildspeicher in einer Bildspeicherschaltung 46. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel enthält das Filterrad 35 sechs Filterpositionen in der Aufeinanderfolge rot-grün-blau-rot-grün-blau. Die Bildspeicherschaltung 46 enthält sechs Gruppen von Speicherstellen, die jeder der sechs Filterpositionen entsprechen. Wie ersichtlich ist, kuppeln der Kontroller 45 und der Adressengenerator 44 das Ausgangssignal der Bildfängerschaltung 43 mit einer geeigneten Gruppe von Speicherstellen in der Bildspeicherschaltung 46 in Aufeinanderfolge.
Die Verwendung von sechs Filterpositionen und sechs Gruppen von Speicherstellen ermöglicht es einer digital/analog (D/A) Filterschaltung 47 und einer Videooutputschaltung 50, ein Farbbild auf dem Monitor 26 zu erzeugen, das sich sanft und natürlich verändert. Darüber hinaus kann bei korrekter Taktung die D/A Filterschaltung 47 die Bilddaten von einer Speicherstelle rückgewinnen, beispielsweise von einer Speicherstelle rot, während die Information von einem darauffolgenden Einzelbild, die dem roten Filter entspricht, in die weitere rote Speicherstelle geladen wird.
Somit kann das in Fig. 1 gezeigte Sichtgerät 10 ein Farbbild auf dem Monitor 26 liefern. Die Verwendung der getakteten, gemusterten Sequenz aus Licht unterschiedlicher Wellenlänge, um einen Gegenstand zu beleuchten, und des Bildverstärkers und Videoprozessors, um das Bild wieder zusammen zu setzen, ermöglicht es, dass das Gerät bei sehr schwachen Lichtpegeln arbeitet. Beispielsweise ist es möglich, Gefäße im Körper mit einer Glühbirne von wenigen Watt zu beleuchten, im Gegensatz zu üblichen medizinischen Endoskopen, bei denen die Beleuchtungsbirnen für bis zu 300 oder mehr Watt ausgelegt sein können. Diese Verringerung des Lichtes verringert den Querschnitt des faseroptischen Wellenleiters 16. Ferner erhöht der Bildverstärker die Effektivhelligkeit, so dass der Wellenleiter 22 für Bildübertragung eine kleinere effektive Apertur besitzen kann. Beide dieser Verringerungen ermöglichen die Konstruktion eines Endoskops mit einem größeren Arbeitskanal oder die Konstruktion kleinerer Endoskope ohne die Größe des Arbeitskanales zu verringern.
Fig. 3A und 3B stellen Filterräder 35A und 35B dar, durch die das in Fig. 1 gezeigte Filterrad 35 ersetzt werden kann. Jedes Rad ist auf einer zentralen, motorisch angetriebenen Welle 36A, 36B angebracht, um die Filterräder 35A, 35B zu drehen. Jedes Filterrad ist in sechs Segmente unterteilt, die als Segmente 51A bis 56A in Fig. 3A definiert sind, und in Segmente 51B bis 56B in Fig. 3B. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel sind die Segmente 51A, 51B und 54A, 54B rote Filter (R); Segmente 52A, 52B und 55A, 55B sind grüne Filter (G); und die Filter 53A, 53B und 56A, 56B sind blaue Filter (B). Wenn sich die Filterräder 35A, 35B im Uhrzeigersinn in Richtung der Pfeile 57A, 57B drehen, wandeln die Räder konstantes weißes Licht von der Birne 30 in Fig. 1 in eine Sequenz von rot-grün-blau-rot-grün-blau Lichtimpulsen um. Aufeinanderfolgende Impulse werden unterbrochen, wenn radiale Teile 60A, 60B zwischen benachbarten Filtern die durch die Linsen 32 und 33 in Fig. 1 verlaufende Lichtachse passieren.
In Fig. 3A bilden ringförmige Schlitze 61A bis 66B Indizes, die es ermöglichen, dass Licht von der Birne 30 in Fig. 1 den Sensor 38 erregt. Somit erzeugt der Sensor 38 ein Signal, das das Vorhandensein eines Filters im Lichtbündel anzeigt. In Fig. 3A ist jeder ringförmige Schlitz winkelmäßig deckungsgleich mit einem Filter. Die richtige Lage des Sensor 38 ermöglicht es nun, dass der Sensor einen Taktimpuls erzeugt, der dem Intervall jedes monochromatischen Lichtimpulses vom Filterrad 35A entspricht.
Fig. 3B offenbart eine alternative Indexkonstruktion, bei der ringförmige Schlitze 61B bis 66B eine winkelmäßige Abmessung besitzen, die kleiner ist als die winkelmäßige Erstreckung der Filter. Zusätzlich ist jeder ringförmige Schlitz unsymmetrisch, so dass ein Radius zum Zentrum eines Filters dem Radius zum Zentrum eines ringförmigen Schlitzes voreilt. Dies liefert eine Zeitverschiebung, um sicherzustellen, dass die Bildfangschaltung 43 ihre Tätigkeit nicht aufnimmt, bevor ein Filter so positioniert ist, dass Licht maximaler Helligkeit bei jeder der Wellenlängen geliefert wird. Typischerweise ist das Intervall, das erforderlich ist, damit die Bildfangschaltung 43 eine Information für ein Einzelbild erhält, kürzer als der Zeitraum für den Durchlauf eines Filters durch die Lichtachse, so dass der nacheilende Rand jedes ringförmigen Schlitzes, etwa des Schlitzes 61B, sich über den entsprechenden Rand eines Filtersegmentes hinaus erstrecken kann.
Fig. 4 stellt eine alternative Lichtquelle dar, die anstelle der Lichtquelle 14 und der faseroptischen Wellenleiter 15 und 16 tätig sein könnte. Spezieller stellt Fig. 4 das distale Ende 70 eines Sichtgerätes 71 mit einem Arbeitskanal oder Lumen 72 und einer Objektivlinse 73 dar. Bei dieser Konfiguration weist die Lichtquelle Leuchtdioden 74, 75 und 76 auf, die am distalen Ende unmittelbar positioniert und mit einer proximalen Energieversorgung über eine Reihe von Niedervoltleitern (nicht gezeigt) verbunden sind, die an einem Sequenzer angeschlossen sind. Der Sequenzer versorgt die Leuchtdioden 74, 75 und 76 in Sequenz, um dadurch eine Folge monochromatischer Lichtimpulse für die Beleuchtung eines Gegenstandes zu erzeugen.
Wie ersichtlich ist, eliminiert ein solches System das Erfordernis für ein Filterrad und einen zugehörigen Mechanismus. Ein derartiges Beleuchtungssystem ist insbesondere wertvoll, wenn Leuchtdioden im Handel erhältlich werden/ die blaues Licht aussenden. Rotes und grünes Licht aussendende Dioden sind derzeit erhältlich. Es ist auch ersichtlich, dass diese Konstruktion eine Zunahme der Größe des Arbeitskanales 72 erlaubt oder es erlaubt, dem Sichtgerät gesonderte Arbeitskanäle hinzu zu fügen. Es ist auch möglich, dass für die gleiche Objektivlinse 73 und den zugehörigen, bildübertragenden Wellenleiter die Gesamtgröße des Endoskopes verringert werden kann.
Diese Verringerung des Größenbedarfs für die optische Einheit macht diese Konfiguration auch für Stereoabbildung geeignet. Fig. 5 zeigt in schematischer Form ein Endoskop 80, das einen faseroptischen Wellenleiter 81 beinhaltet, der mit einer Lichtquelle verbunden ist, beispielsweise der Lichtquelle 14 von Fig. 1. Das Objektiv am distalen Ende 82 erzeugt zwei Bilder für bildübertragende Wellenleiter 83 bzw. 84. Individuelle Okulare 85 und 86 am proximalen Ende 87 des Endoskopes 80 fokussieren zwei distinkte Bilder auf einen Bildverstärker 90, die eine Videokamera 91 dann auf einen Videoprozessor überträgt, etwa den Videoprozessor 25 von Fig. 1. Dieses System erzeugt zwei versetzte Bilder auf einem Monitor. Eine Person kann sodann, mit oder ohne Hilfe einer Stereobrille, die Bilder zu einem einzelnen Bild verschmelzen, das als dreidimensional erscheint. Wie ersichtlich ist, ermöglicht es die Erfindung, ein derartiges optisches System in ein Endoskop üblicher Größe einzubauen.
Somit ist es möglich, diese Erfindung zu benutzen, um ein Sichtgerät herzustellen, das ebene oder dreidimensionale Farbbilder mit guter Helligkeit, Raum- und Kontrastauflösung und Farbwiedergabe erzeugt. Bilder mit diesen wünschenswerten Eigenschaften werden ferner erhalten, indem schwache Beleuchtungspegel benutzt werden. Schwache Beleuchtungspegel begrenzen örtliche Erhitzung am distalen Ende jeglichen Sichtgerätes und beseitigen die Erfordernis von speziellen Lichtquellen. Lichtquellen, die übliche Birnen mit Filterrädern benutzen, oder Halbleiter-Lichtquellen, die am proximalen oder distalen Ende eines Sichtgerätes vorgesehen sind, können geeignete Beleuchtungspegel liefern. Es ist auch ersichtlich, dass diese Kombination individuelle Elemente enthält, beispielsweiseden Bildverstärker, die Videokamera, den Videoprozessor und Monitor, welche im Handel erhältlich sind und die in einer Anzahl unterschiedlicher Konfigurationen kombiniert werden können, wobei einige oder sämtliche der Vorteile dieser Erfindung erreicht werden.
Obgleich diese Erfindung anhand bestimmter Ausführungsbeispiele offenbart ist, versteht es sich auch, dass viele Abwandlungen des speziell offenbarten Gerätes vorgenommen werden können, ohne die Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Sichtgerät, um von einem proximalen Ende (12) desselben einen Gegenstand an einem distalen Ende (13) zu betrachten, wobei genanntes Sichtgerät aufweist:

A. Lichtübertragungsmittel (14, 15, 16), um eine iterative, getaktete, gemusterte Sequenz von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen auf den Gegenstand (20) zu richten,

B. ein Bilderzeugungsmittel (21), um am proximalen Ende ein Bild des Gegenstandes (20) in Abhängigkeit von dem Licht der genannten Lichtübertragungsmittel (14, 15, 16) zu bilden, das von dem Gegenstand (20) reflektiert wird,

C. ein Bildverstärkermittel (21), um für jede der verschiedenen Wellenlängen in der gemusterten Sequenz ein verstärktes, monochromes Bild des Gegenstandes (20) zu erzeugen, und

D. ein Bildverarbeitungsmittel (25), das mit dem genannten Bildverstärkermittel (41) verbunden ist, um iterativ die Aufeinanderfolge monochromer Einzelbilder, die während jeder Musteriteration durch das genannte Bildverstärkermittel erzeugt werden, elektronisch zu verarbeiten, um ein integriertes Farbbild des am distalen Ende (13) des genannten Sichtgerätes befindlichen Gegenstandes (20) sichtbar zu machen,

dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Lichtübertragungsmittel (14, 15, 16) Licht in den Wellenlängen roten, blauen und grünen Lichtes erzeugt und das genannte Bildverstärkermittel (41) eine erhöhte Empfindlichkeit für blaues Licht zur Verfügung stellt, um ein im wesentlichen gleichförmiges Ausgangssignal in Abhängigkeit von im wesentlichen gleichen Helligkeiten des Lichtes bei jeder der roten, blauen und grünen Wellenlängen zu erzeugen.

2. Sichtgerät wie in Anspruch 1 angegeben, bei dem das genannte Bildverarbeitungsmittel (25) ein Mittel (43), um für Jede Wellenlänge in der gemusterten Sequenz ein Einzelbild von dem genannten Bildverstärkermittel (41) während der Beleuchtung des Gegenstandes (20) mit dem Licht der entsprechenden Wellenlänge aufzuzeichnen, ein Mittel, um jedes der aufgezeichneten Einzelbilder, die während einer gegebenen Iteration des Musters erzeugt sind, zu integrieren, sowie ein Mittel (26) zum Sichtbarmachen der integrierten Bilder aufweist.

3. Sichtgerät wie in Anspruch 1 angegeben, bei dem das genannte Gerät ein endoskopisches Sichtgerät ist, um von einem proximalen Ende (12) desselben Gegenstände an einem distalen Ende (13) zu betrachten, die im Körper eines Individuums gelegen sind, wobei ein röhrenförmiges Gehäuse (17) vorgesehen ist, das sich zwischen proximalem (12) und distalem Ende (13) erstreckt,

das genannte Bilderzeugungsmittel ein Objektivlinsenmittel (21) an dem genannten distalen Ende (13) des genannten Gehäuses (17) ist, um ein Bild in Abhängigkeit von dem Licht von dem genannten Lichtübertragungsmittel (14, 15, 16) zu erzeugen, das von den Gegenständen (20) reflektiert wird,

ein Bildübertragungsmittel (22) in dem genannten Gehäuse (17) vorgesehen ist, um das von dem genannten Objektivlinsenmittel (21) erzeugte Bild zum proximalen Ende (12) des genannten Gehäuses (17) zu übertragen,

ein Videomittel (42) mit dem genannten Bildverstärkermittel (41) verbunden ist, um ein Videosignal in Abhängigkeit von den Ausgangsbildern des genannten Bildverstärkermittels (41) zu erzeugen, und wobei das genannte Bildverarbeitungsmittel ein Videoprozessormittel (25) ist, das mit dem genannten Videomittel (42) verbunden ist, um die Aufeinanderfolge von Einzelbildern zu integrieren, die während jeder Musteriteration erzeugt werden, um ein integriertes Farbbild des Gegenstandes (20) am distalen Ende (13) des genannten Sichtgerätes sichtbar zu machen.

4. Endoskopisches Sichtgerät wie in Anspruch 3 angegeben, bei dem das genannte Lichtübertragungsmittel (14, 15, 16) eine Lichtquelle (31), ein veränderbares Filtermittel (35, 36, 37) für iteratives Erzeugen der gemusterten Sequenz und ein faseroptisches Wellenleitermittel (15, 16) beinhaltet, um die gemusterte Sequenz des Lichtes von dem genannten Filtermittel (35, 36, 37) zu den Gegenständen (20) am distalen Ende des genannten Gehäuses (17) überzuführen, wobei genannte Lichtquelle (31) und das Filtermittel (35, 36, 37) am proximalen Ende (12) des genannten endoskopischen Sichtgerätes angeordnet sind.

5. Endoskopisches Sichtgerät wie in Anspruch 4 angegeben, bei dem das genannte Lichtübertragungsmittel (14, 15, 16) eine Mehrzahl monochromer Lichtsendermittel, um Licht in verschiedenen monochromen Frequenzbändern zu erzeugen, sowie ein Steuermittel beinhaltet, um in einer iterativen Weise die genannten monochromen Lichtsendermittel einzeln in der gemusterten Sequenz mit Energie zu versorgen, wobei genannte monochrome Lichtsendermittel am distalen Ende (13) des Gehäuses (17) angeordnet sind.

6. Endoskopisches Sichtgerät wie in Anspruch 5 angegeben, bei dem Jedes der genannten monochromen Lichtsendermittel eine Leuchtdiode (74, 75, 76) aufweist.

7. Endoskopisches Sichtgerät wie in Anspruch 4 angegeben, bei dem das genannte Gehäuse (17) eine flexible Hülle aufweist und das Bildübertragungsmittel ein Mittel (23), um das Bild auf dem genannten Verstärkermittel (41) zu fokussieren, sowie ein faseroptisches Wellenleitermittel (22) beinhaltet, das sich zwischen dem genannten Objektivlinsenmittel (21) und dem genannten Fokussiermittel (23) erstreckt, um das Bild vom distalen (13) zum proximalen Ende (12) zu übertragen.

8. Endoskopisches Sichtgerät wie in Anspruch 4 angegeben, bei dem das genannte Gehäuse (17) eine starre Hülle aufweist und das genannte Bildübertragungsmittel (22) ein Mittel (23), um das Bild auf dem genannten Verstärkermittel (41) zu fokussieren, sowie eine Mehrzahl von Linsen beinhaltet, die sich entlang der Länge des genannten starren Gehäuses zwischen dem genannten Objektivlinsenmittel (21) und dem genannten Fokussiermittel (23) erstrecken.

9. Endoskopisches Sichtgerät wie in Anspruch 4 angegeben, bei dem das genannte Lichtübertragungsmittel (14, 15, 16) Licht bei Wellenlängen erzeugt, die verschiedenen Farben entsprechen, und das genannte Verstärkermittel (41) dadurch gekennzeichnet ist, dass es im wesentlichen gleichförmige Ausgangssignale in Abhängigkeit von Licht jeder dieser Wellenlängen erzeugt.

10. Sichtgerät wie in Anspruch 3 angegeben, bei dem das genannte Videoprozessormittel (25) ein Aufzeichnungsmittel (43), um für Jede Wellenlänge in der gemusterten Sequenz ein Bild von dem genannten Videomittel während der Beleuchtung des Gegenstandes mit Licht der entsprechenden Wellenlänge aufzuzeichnen, ein Mittel zum Integrieren jedes der aufgezeichneten Einzelbilder, die während einer gegebenen Ite ration des Musters erzeugt werden, sowie ein Mittel (26) für die Sichtwiedergabe der integrierten Bilder aufweist.

11. Endoskopisches Sichtgerät wie in Anspruch 3 angegeben, bei dem das genannte Lichtübertragungsmittel (14, 15, 16) ein Filterrad (35A/35B) beinhaltet, das in eine Mehrzahl von Segmenten (51A-56A/51B-56B) unterteilt ist, von denen jedes Segment ein Filter entsprechend einer der Primärfarben aufweist, wobei genanntes Filterrad (35A/35B) zusätzlich einen Index (61A-66A/61B-66B), der jedes Segment (51A-56A/51B-56B) identifiziert, ein Antriebsmittel (36A/36B) zum Drehen des Filterrades um eine Achse, ein Lichtquelle (30), um Licht durch das genannte Filterrad (35A/35B) hindurch zu werfen, um dadurch eine iterative, getaktete, gemusterte Sequenz gefilterten Lichtes mit den Wellenlängen der Primärfarben zu erzeugen, sowie einen faseroptischen Wellenleiter (15, 16) beinhaltet, um das Ausgangssignal von dem genannten Filterrad (35A/35B) durch das genannte Gehäuse (17) hindurch zu übertragen, um die Gegenstände (20) mit dem Licht von dem genannten Filterrad (35A/35B) zu beleuchten.

12. Endoskopisches Sichtgerät wie in Anspruch 11 angegeben, zusätzlich ein Sequenzsteuermittel (38, 40) aufweisend, um das genannte Gerät zu synchronisieren, wobei genanntes Steuermittel (38, 40) auf das genannte Indexmittel (61A-66A/61B-66B) an dem genannten Filterrad (35A/35B) anspricht, um das genannte Videoprozessormittel (25) zu steuern.

13. Endoskopisches Sichtgerät wie in Anspruch 12 angegeben, bei dem das Videoprozessormittel (25) ein Mittel zum Speichern von Bildern für jede der vorbestimmten Primärfarben sowie ein Multiplexermittel beinhaltet, das mit dem genannten Steuermittel (38, 40) verbunden ist, um Bilder von dem genannten Videomittel (25) auf das entsprechende Bildspeichermittel zu übertragen.

14. Endoskopisches Sichtgerät wie in Anspruch 11 angegeben, bei dem das genannte Filtermittel (35A/35B) eine Mehrzahl von Filtern für jede der Primärfarben beinhaltet und die genannten Filter in Folge um das Filterrad (35A/35B) herum angeordnet sind, wobei die Wellenlängen des Lichtes von aufeinanderfolgenden Filterpositionen unterschiedlich sind.

15. Endoskopisches Sichtgerät wie in Anspruch 11 angegeben, bei dem das genannte Bildübertragungsmittel (22) zusätzlich ein Okularmittel (23) am genannten proximalen Ende (12) des Gehäuses (17) aufweist, um das Bild auf dem genannten Verstärkermittel (41) zu fokussieren.

16. Endoskopisches Sichtgerät wie in Anspruch 15 angegeben, bei dem das genannten Bildübertragungsmittel (81) ein Paar von Bildübertragungskanalmitteln (83, 84) sowie ein Paar von Mitteln (85, 86) für die Fokussierung auf dem genannten Bildverstärkermittel (90) beinhaltet und bei dem das genannte Videoprozessormittel (25) die Bilder als Teil einer einzelnen Bilddarstellung sichtbar macht.