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WO2004008114A1 - Verfahren und vorrichtung zum differenzierten, zielstrukturabhängigen beleuchten und betrachten von oberflächen und deren substrukturen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum differenzierten, zielstrukturabhängigen beleuchten und betrachten von oberflächen und deren substrukturen Download PDF

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Publication number
WO2004008114A1
WO2004008114A1 PCT/EP2003/007392 EP0307392W WO2004008114A1 WO 2004008114 A1 WO2004008114 A1 WO 2004008114A1 EP 0307392 W EP0307392 W EP 0307392W WO 2004008114 A1 WO2004008114 A1 WO 2004008114A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
viewing
light
lighting
analyzer
illuminated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2003/007392
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Fraatz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MEDICAL LASER RENT EK
Original Assignee
MEDICAL LASER RENT EK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MEDICAL LASER RENT EK filed Critical MEDICAL LASER RENT EK
Priority to AU2003250008A priority Critical patent/AU2003250008A1/en
Publication of WO2004008114A1 publication Critical patent/WO2004008114A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/0233—Special features of optical sensors or probes classified in A61B5/00
    • A61B2562/0242—Special features of optical sensors or probes classified in A61B5/00 for varying or adjusting the optical path length in the tissue
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/44—Detecting, measuring or recording for evaluating the integumentary system, e.g. skin, hair or nails
    • A61B5/441—Skin evaluation, e.g. for skin disorder diagnosis

Definitions

  • the invention relates to a method for differentiated, target structure-dependent lighting and viewing of a surface, in which a surface is illuminated by means of elliptically polarized light.
  • the invention further relates to a device for differentiated, target structure-dependent lighting and viewing of a surface with at least one lighting system, comprising a light source and a polarizer unit, and with at least one viewing system, comprising analyzer elements.
  • the observation and recognition of structures in a material on the basis of light scattering and / or reflection below its surface is made more difficult by light which is reflected directly from the surface of this material.
  • the detection of subepidermal structures i.e. Structures below the surface of the skin are complicated by the light reflected from the surface of the skin.
  • the preferred information carrier in turn is only the reflected light, while the light scattered and / or reflected from deeper layers impairs the view.
  • a lamp in order to assess the result or to control many medical or technical interventions and work, a lamp must also be able to produce lighting conditions that are as similar as possible to daylight, so that the natural appearance of the surface including the reflected and scattered portion can be viewed and the result of a work tailored to natural lighting conditions can be.
  • WO 00/11451 A1 describes a method and an arrangement consisting of an illuminating device and a viewing unit, which perform the tasks of selective relief structure observation and the suppression of surface reflection through the use of a rotatable linear polarization filter behind a light source in connection with a stationary linear polarization filter as an analyzer within the observation unit.
  • both devices are to be used as a coherent system with holder and fastening devices during an examination.
  • this system does not provide for the light source also to be used as conventional lighting with a daylight-like spectrum and unpolarized light. Furthermore, in the case of the possibility of separating light source and viewing unit, which is also described, it is very disadvantageous that for one or more viewers with different positions and locations, different direction-dependent structural information is emphasized relative to the plane of incidence of the light.
  • DE 199 10 079 C1 discloses a method and a device for preventing reflections using polarized light describes working field lighting with a linearly polarizing filter, the light coming from the surface to be viewed being analyzed with another freely rotatable, linear polarizing filter.
  • WO 94/09463 discloses a method and devices consisting of an illumination apparatus and a viewing unit in order to find or determine dielectric or depolarizing substances on metallic surfaces. Specifically, the application as an ice warner on aircraft wings is described.
  • the device and method of this document are based on the different reflection and depolarization behavior of different materials, so that here the effect of a depolarizing effect with low reflection of a first dielectric layer compared to a polarization-maintaining effect with simultaneous strong reflection of a second metallic layer is used for coating detection. The proportion of light reflected by the dielectric covering surface is not taken into account here.
  • the devices and methods mentioned are in principle not intended for the relief and / or substructure characterization of dielectrically uniform surface areas.
  • the object of the invention is to design a method for illuminating and viewing surfaces and an apparatus for carrying out the method from essentially known optical components in such a way that the method and the apparatus are optimized both as a conventional lighting system and as a lighting and viewing system Recognition of a relief structure of the surface or sub-surface areas thereof is to be used and the same structural information with the same image quality is to be displayed for the at least one observer from different positions relative to the light source and / or viewing surface with the illumination surface possibly being varied.
  • the object is achieved according to the invention in that at least one light source in optional connection with a polarizer unit is used within at least one lighting system in such a way that when the polarizer unit (s) are used, elliptically or circularly polarized light with different directions of rotation or unpolarized Light can be produced by omitting the same for surface lighting. It is thus possible to continuously adjust the polarization from circularly left-turning via elliptical polarization to circularly rotating to the right.
  • the light reflected from the surface is partially or completely blocked or transmitted in order to highlight either the light reflected from the surface or the light scattered and / or reflected on a substructure of this surface.
  • the size of the diffraction field is preferably set using an iris diaphragm.
  • the analyzer elements for elliptically or circularly polarized light can be used according to the invention within the viewing system in such a way that one or more viewers can individually set whether one of the viewers can be set either by adjusting the polarization characteristic of the light illuminating the surface of a light source or by changing the transmission characteristic of the viewing system
  • Surface structure such as a relief or sub-surface structures can be considered highlighted.
  • the relief or The substructure portion of the image to be viewed can be infinitely adjusted within wide limits.
  • the light which is scattered and / or reflected on a sub-surface structure means the light which is transmitted through the surface of a material - e.g. of a dielectrically uniform material - penetrates into the material and is then scattered out of it or reflected back.
  • This backscattering or reflection from deeper layers takes place partly in the direction of the light reflected on the surface and can be discriminated against by the invention.
  • the backscattering or reflection in the material takes place on irregularities, inclusions, etc., i.e. generally on structural elements below the illuminated surface, the substructures mentioned.
  • a particular advantage of the invention compared to all the methods known in the prior art is therefore essentially independently of the viewing direction and / or lighting direction of being able to selectively highlight image information from the optionally structured surface of an illuminated material or the optionally structured depth of the same material.
  • the image information which is normally superimposed undisturbed on account of the principle of superposition can be distinguished from one another on the surface and sub-surface due to different polarization properties due to different polarization properties.
  • the relief or The substructure portion of the image to be viewed can be infinitely adjusted within wide limits.
  • the method and the device according to the invention can only improve the recognition of the relief or substructure, for example of organic or inorganic material surfaces, if they have a certain transparency for the light wavelength used, because only in this way it is ensured that the light gets under the surface of the material and is scattered back and / or reflected back out of the material, ie there are radiation components that can be separated from one another.
  • the penetration depth can vary from material to material. Likewise, the penetration depth can depend on and / or be adjusted by the light wavelength used, so that by using different wavelengths when viewing one and the same material, image information can be obtained from regions of different depths.
  • the solution according to the invention can be used in particular in the context of medical and aesthetic-cosmetic interventions and examinations e.g. on the skin as well as on any organic and inorganic substances.
  • the lighting system and the viewing system can be designed in such a way that comparable contrasts and image qualities for the at least one viewer are also achieved and are maintained if the lighting system and viewing system are used as separate units.
  • the lighting system can be dimensioned more flexibly as a unit that is not to be carried on the body and in a fixed connection with the viewing system and can therefore be designed to be significantly more powerful.
  • the lighting system can be designed in such a way that comparable contrasts and image qualities, ie emphasizing relief or substructure, are also retained for the viewer when the light source and / or viewing system is moved or rotated relative to the surface or is illuminated from above and the viewer is viewed from look in different directions on a surface, eg a surface to be treated.
  • This system is therefore designed in such a way that when using a common lighting system for several viewers with the same viewing systems, comparable viewing conditions are available. By changing the direction of rotation of the incident light, the viewing mode changes equally for all observers.
  • variable analyzers which leave it up to the observer to decide whether the light reflected from the surface is transmitted or blocked. Regardless of the set direction of rotation of the incident light, it is possible for every observer to choose the viewing mode that suits his own needs, without influencing the view of other observers.
  • the apparatus according to the invention can be used with unpolarized light as a conventional light source if the polarizer unit is removed.
  • the size of the illumination field can be adjusted as required.
  • the associated device for carrying out the method is characterized in that elliptically polarized light from elliptical (e.g. circular) right to elliptical (e.g. circular) can be produced in a continuously rotating manner as required and the changeover by simply rotating a linear polarizer and / or an optical delay element of the lighting system.
  • elliptically polarized light from elliptical (e.g. circular) right to elliptical (e.g. circular) can be produced in a continuously rotating manner as required and the changeover by simply rotating a linear polarizer and / or an optical delay element of the lighting system.
  • Figure 2 the viewing system.
  • Figure 1 shows an illumination system 1 for skin examination, which e.g. can be arranged as a ceiling, wall, table construction or on a tripod as a hand or head lamp etc.
  • the elements provided for lighting are arranged as follows:
  • the halogen lamp 1.1 to be selected depending on the application is preferably followed by a UV filter 1.2 and an IR filter 1.3.
  • the size of the illumination field can be set with an iris diaphragm 1.4.
  • the illumination field is preferably generated using a convex lens system, the objective 1.5.
  • a linearly polarizing filter 1.6 is located behind the lens 1.5. This is followed by a ⁇ / 4 delay element 1.7.
  • the linearly polarizing filter 1.6 and the delay element 1.7 can be rotated relative to one another in such a way that elliptically polarized light can be produced with right-hand and left-hand aisle as required.
  • the lighting system 1 is designed in such a way that the filter 1.6 and the delay element 1.7 can be removed as a polarizer unit 1.8 and the lighting system 1 can thus also be used as a conventional light source.
  • the viewing system 2 shown in FIG. 2 consists of a headband magnifier 2.1 and a pivotable analyzer 2.2.
  • the analyzer 2.2 consists of a ⁇ / 4 retardation film facing the surface under consideration and a linear pole film attached at an angle of 45 ° to the preferred direction of the optical retardation element. If elliptically polarized light is generated with the illumination system 1, which is blocked after reflection (reversing its direction of rotation) by the analyzer 2.2 of the viewing system 2, an optimal image of the structure lying under the reflecting surface of the skin, for example the course of the blood vessels, is obtained.
  • the illuminating system 1 If the illuminating system 1 generates elliptically polarized light which is transmitted through the analyzer 2.2 of the viewing system 2 after reflection (reversing its direction of rotation), an optimal image of the superficial relief structure, for example the skin folds, is obtained. If the illumination system 1 generates unpolarized light after removing the polarizer unit 1.8, a largely natural appearance of the surface is to be considered. When using the headband magnifier 2.1, the analyzer 2.2 can be folded back for this operating mode. The illumination field sizes can be set in each of the above-mentioned operating modes using the iris diaphragm 1.4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten einer Oberfläche, bei dem die Oberfläche mittels elliptisch polarisiertem Licht beleuchtet wird, wobei mit einem mindestens einen Analysator enthaltenden Betrachtungssystem das von der Oberfläche reflektierte Licht gesperrt oder durchgelassen wird, um entweder das von der Oberfläche reflektierte oder das an einer Substruktur dieser Oberfläche gestreute Licht hervorgehoben zu betrachten. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und deren SubStrukturen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten einer Oberfläche, bei dem eine Oberfläche mittels elliptisch polarisiertem Licht beleuchtet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten einer Oberfläche mit wenigstens einem Beleuchtungssystem, umfassend eine Lichtquelle und eine Polarisatoreinheit, und mit wenigstens einem Betrachtungssystem, umfassend Analysatorelemente.
Allgemein bekannt ist, dass in Abhängigkeit des Beobachtungsziels von z.B. feuchten und/oder hochglänzenden Oberflächen das reflektierte Licht die Sicht erheblich beeinträchtigt.
Beispielsweise wird die Beobachtung und Erkennung von Strukturen in einem Material anhand von Lichtstreuung und/oder Reflektion unterhalb von dessen Oberfläche erschwert durch Licht, welches direkt von der Oberfläche dieses ateriales reflektiert wird. Im Bereich der Dermatologie wird z.B. die Erkennung subepidermaler Strukturen, d.h. Strukturen unterhalb der Hautoberfläche durch das von der Hautoberfläche reflektierte Licht erschwert.
Zur Untersuchung einer oberflächigen Reliefstruktur, z.B. der Hautoberfläche, wiederum benötigt man als Informationsträger bevorzugt nur das reflektierte Licht, während das aus tiefer liegenden Schichten gestreute und/oder reflektierte Licht die Sicht beeinträchtigt.
Ferner muss zur Beurteilung des Resultates bzw. zur Steuerung vieler medizinischer oder technischer Eingriffe und Arbeiten eine Lampe ebenfalls möglichst tageslichtähnliche Beleuchtungsverhältnisse herstellen können, damit das natürliche Erscheinungsbild der Oberfläche inkl. reflektiertem und gestreutem Anteil betrachtet werden kann und das Resultat einer Arbeit auf natürliche Lichtverhältnisse zugeschnitten werden kann.
Außerdem erscheint es von Wichtigkeit, die Größe der Beleuchtungsfläche auf ein Optimum einstellen zu können, um u.a. Reflexionen an Instrumenten zu verhindern, die die Betrachtungsfläche umgebenden.
Die WO 00/11451 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung, bestehend aus einem Beleuchtungsapparat und einer Betrachtungseinheit, welches die Aufgaben der selektiven Reliefstrukturbetrachtung und der Ausblendung von Oberflächenreflexion durch den Einsatz eines drehbaren linearen Polarisationsfilters hinter einer Lichtquelle in Verbindung mit einem feststehend angebrachten linearen Polarisationsfilter als Analysator innerhalb der Betrachtungseinheit löst. Hierbei sind während einer Untersuchung beide Apparaturen als ein zusammenhängendes System mit Halterung und Befestigungseinrichtungen zu verwenden.
Nachteilig ist es, dass dieses System nicht vorsieht, die Lichtquelle auch als konventionelle Beleuchtung mit tageslichtartigem Spektrum und unpolarisiertem Licht einzusetzen. Ferner ist es bei der ebenfalls beschriebenen Möglichkeit der Trennung von Lichtquelle und Betrachtungseinheit sehr nachteilig, dass für einen oder mehrere Betrachter mit unterschiedlichen Stellungen und Standorten relativ zur Einfallsebene des Lichtes unterschiedliche richtungsabhängige Strukturinformationen hervorgehoben werden.
Des weiteren ist aus der DE 199 10 079 C1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verhinderung von Reflexionen unter Einsatz von polarisiertem Licht bekannt, die eine Arbeitsfeldbeleuchtung mit einem linear polarisierenden Filter beschreibt, wobei das von der zu betrachtenden Oberfläche kommende Licht mit einem weiteren frei drehbaren, linearen Polarisationsfilter analysiert wird.
Diese Anordnung hat den Nachteil, dass gemäß der Fresnellschen Formeln sowohl der Anteil des von einer Oberfläche, z.B. einer Hautoberfläche, reflektierten als auch der Anteil des in das Betrachtungsmedium eindringenden Lichtes stark vom Einstrahlwinkel und der Polarisationsrichtung relativ zur Einfallsebene abhängen und damit die Bildqualität in Abhängigkeit der Position der Lichtquelle zur Betrachtungsfläche, z.B. dem Patienten, variiert.
Dies wirkt sich besonders dann nachteilig aus, wenn mehrere Betrachter trotz individuell angepasster Analysatorstellung der Betrachtungseinheit aus unterschiedlicher Richtung auf die gleiche Oberfläche schauen oder ein Einzelbetrachter seine Position relativ zur Beleuchtungsquelle und/oder Betrachtungsfläche ändert. Ferner muss der nur für linear polarisiertes Licht durchlässige drehbare Filter der Betrachtungsvorrichtung nach Positionswechsel des Betrachters neu eingestellt werden.
Oben genannte Verfahren beruhen alle auf der Verwendung von linear polarisiertem Licht zur Oberflächenbeleuchtung und dem Erhalt der Polarisationseigenschaften nach Reflexion und sukzessiver Depolarisation nach Eindringen in das zu betrachtende Material. Unter gekreuzten Polarisatoren von Beleuchtungs- und Betrachtungseinheit erhält man demgemäß eine optimale Sicht für suboberflächige Strukturelemente, während bei paralleler Filterstellung die Reliefstruktur hervorgehoben dargestellt wird. Systemimmanent sind dabei die Nachteile dieser beschriebenen Anordnungen durch Verwendung von linear polarisiertem Licht zur Beleuchtung der Oberfläche und der damit einhergehenden richtungsabhängigen Effekte. Bekannt ist es, zur Kontraststeigerung und Reflexminderung an Computerbildschirmen, Anzeigenoberflächen etc. elliptisch polarisierende Folien direkt auf die zu betrachtenden Flächen aufzubringen.
Einige theoretische Grundlagen und die mögliche Verwendung eines zirkulär polarisierenden Filters zur Sichtverbesserung im Bereich der Biomikroskopie sind von E. Peli, Arch Ophtalmol 1985; 103:670-2 veröffentlicht.
Die WO 94/09463 offenbart ein Verfahren und Vorrichtungen, bestehend aus einem Beleuchtungsapparat und einer Betrachtungseinheit, um dielektrische bzw. depolarisierende Substanzen auf metallischen Oberflächen aufzufinden oder festzustellen. Konkret wird die Anwendung als Eiswarner bei Flugzeugtragflächen beschrieben. Vorrichtung und Verfahren dieses Dokumentes beruhen auf dem unterschiedlichen Reflexions- und Depolarisationsverhalten verschiedener Materialien, so dass hier der Effekt einer depolarisierenden Wirkung bei gleichzeitig geringer Reflexion einer ersten dielektrischen Schicht gegenüber einer polarisationserhaltenden Wirkung bei gleichzeitig starker Reflexion einer zweiten, metallischen Schicht zur Belagserkennung ausgenutzt wird. Hierbei wird der von der dielektrischen Belagsoberfläche reflektierte Lichtanteil nicht berücksichtigt. Die genannten Vorrichtungen und Verfahren sind grundsätzlich nicht zur Relief- und/oder Substrukturcharakterisierung dielektrisch einheitlicher Oberflächenbereiche vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Beleuchten und Betrachten von Oberflächen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aus im wesentlichen bekannten optischen Komponenten so zu konzipieren, dass das Verfahren und die Vorrichtung sowohl als konventionelles Beleuchtungssystem als auch als Beleuchtungs- und Betrachtungssystem zur optimierten Erkennung einer Reliefstruktur der Oberfläche oder suboberflächlicher Bereiche derselben einzusetzen ist und dabei aus unterschiedlichen Positionen relativ zur Lichtquelle und/oder Betrachtungsfläche für den mindestens einen Beobachter bei u.U. variierbarer Beleuchtungsfläche gleiche Strukturinformationen bei gleicher Bildqualität darzustellen sind. Hinsichtlich des Verfahrens zum Beleuchten wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine Lichtquelle in optionaler Verbindung mit einer Polarisatoreinheit innerhalb von mindestens einem Beleuchtungssystem so eingesetzt wird, dass bei Verwendung der Polarisatoreinheit/en elliptisch bzw. zirkulär polarisiertes Licht mit unterschiedlicher Drehrichtung bzw. unpolarisiertes Licht bei weglassen derselben zur Oberflächenbeleuchtung hergestellt werden kann. Es besteht so die Möglichkeit, die Polarisation von zirkulär iinksdrehend über elliptische Polarisation bis zirklular rechtsdrehend stufenlos zu verstellen.
Durch Oberflächenbeleuchtung mit elliptisch bzw. zirkulär polarisiertem Licht in Verbindung mit entsprechend angepassten Betrachtungssystemen werden die im Stand der Technik aufgrund der Richtungsabhängigkeit bekannten Nachteile der linearen Polarisation vermieden. Elliptisch polarisiertes Licht behält nach Reflexion seine Polarisationseigenschaft. Hier kann zur Ausblendung oder Hervorhebung des von der Oberfläche reflektierten Lichtanteils der weitgehend richtungsunabhängig beobachtbare Drehsinn und nicht, wie im Stand der Technik, die lineare Polarisationsrichtung des Lichtes ausgenutzt werden.
Mit dem mindestens einen Analysator umfassenden Betrachtungssystem wird das von der Oberfläche reflektierte Licht teilweise oder vollständig gesperrt oder durchgelassen, um entweder das von der Oberfläche reflektierte oder das an einer Substruktur dieser Oberfläche gestreute und/oder reflektierte Licht hervorgehoben zu betrachten. Die Beieuchtungsfeldgröße wird dabei bevorzugt mit einer Irisblende eingestellt.
Die Analysatorelemente für elliptisch bzw. zirkulär polarisiertes Licht können innerhalb des Betrachtungssystems erfindungsgemäß so eingesetzt werden, dass entweder über das Einstellen der Poiarisationscharakteristik des die Oberfläche ausleuchtenden Lichtes einer Lichtquelle oder das Ändern der Durchlasscharakteristik des Betrachtungssystems für einen oder mehrere Betrachter individuell einstellbar ist, ob eine Oberflächestruktur z.B. ein Relief oder suboberflächliche Strukturen hervorgehoben betrachtet werden. Der Relief- bzw. Substrukturanteil des zur Betrachtung kommenden Bildes lässt sich in weiten Grenzen stufenlos einstellen.
Hierbei wird im Rahmen. der vorliegenden Erfindung unter dem Licht, welches an einer suboberflächigen Struktur, einer sogenannten Substruktur, gestreut und/oder reflektiert wird, das Licht verstanden, welches durch die Oberfläche eines Materiales - z.B. eines dielektrisch einheitlichen Materiales - in das Material eindringt, und dann aus demselben heraus zurückgestreut oder zurückreflektiert wird.
Diese Rückstreuung bzw. Reflexion aus tieferen Schichten erfolgt zum Teil in der Richtung des an der Oberfläche reflektierten Lichtes und kann mittels der Erfindung von diesem diskriminiert werden.
Die Rückstreuung oder Reflexion im Material erfolgt an Unregelmäßigkeiten, Einschlüssen etc, also allgemein an Strukturelementen unterhalb der beleuchteten Oberfläche, den genannten SubStrukturen.
Besonderer Vorteil der Erfindung gegenüber allen im Stand der Technik bekannten Verfahren ist es somit im wesentlichen unabhängig von der Betrachtungsrichtung und/oder Beleuchtungsrichtung entweder Bildinformationen von der gegebenenfalls strukturierten Oberfläche eines beleuchteten Materiales oder der gegebenenfalls strukturierten Tiefe desselben Materiales selektiv hervorgehoben betrachten zu können. Die sich im Normalfall aufgrund des Superpositionsprinzips ungestört überlagernden Bildinformationen können im Rahmen der Erfindung aufgrund unterschiedlicher Polarisationseigenschaften oberflächlich und suboberflächlich reflektieten bzw. gestreuten Lichtes voneinander unterschieden werden. Der Reliefbzw. Substrukturanteil des zur Betrachtung kommenden Bildes lässt sich in weiten Grenzen stufenlos einstellen.
Insofern kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung eine Verbesserung der Erkennung der Relief- oder Substruktur z.B. organischer oder anorganischer Materialoberflächen nur erreicht werden, wenn diese für die verwendete Lichtwellenlänge eine gewisse Transparenz aufweisen, da nur so gewährleistet ist, dass das Licht unter die Oberfläche des Materiales gelangt und aus dem Material heraus zurückgestreut und/oder zurückreflektiert wird, d. h. voneinander separierbare Strahlenanteile vorliegen. Die Eindringtiefe kann hierbei von Material zu Material unterschiedlich sein. Ebenso kann die Eindringtiefe von der verwendeten Lichtwellenlänge abhängen und/oder eingestellt werden, so dass durch Einsatz verschiedener Wellenlängen bei der Betrachtung ein und desselben Materiales Bildinformation aus verschieden tiefen Regionen erhältlich sind.
Die erfindungsgemäße Lösung kann insbesondere im Rahmen medizinischer und ästhetisch-kosmetischer Eingriffe und Untersuchungen z.B. an der Haut als auch an beliebigen organischen und anorganischen Substanzen zum Einsatz kommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Vorteile auf:
Das Beleuchtungssystem und das Betrachtungssystem können so konzipiert sein, dass vergleichbare Kontraste und Bildqualitäten für den mindestens einen Betrachter ebenfalls erreicht werden und erhalten bleiben, wenn Beleuchtungssystem und Betrachtungssystem als getrennte Einheiten zum Einsatz kommen.
Größere Flächen können heller ausgeleuchtet werden, weil das Beleuchtungssystem als eine nicht am Körper und in fester Verbindung mit dem Betrachtungssystem zu tragende Einheit flexibler dimensionierbar ist und damit deutlich leistungsfähiger ausgelegt werden kann.
Zur Ausleuchtung großer Flächen können mehrere Beleuchtungssysteme, die elliptisch polarisiertes Licht mit gleichem Drehsinn erzeugen flexibel und beweglich eingesetzt werden, ohne dass die Polarisationsfilterstellungen der verwendeten Lichtquellen zu jeder Beleuchtungs-, Betrachtungssituation neu aufeinander abgestimmt werden müssen.
Dem Beobachter stehen sehr leichte und komfortabel tragbare Betrachtungssysteme zur Verfügung. Das Beleuchtungssystem kann so konzipiert sein, dass vergleichbare Kontraste und Bildqualitäten, d.h. Hervorhebung von Relief- oder Substruktur, für den Betrachter auch erhalten bleiben, wenn Lichtquelle und/oder Betrachtungssystem relativ zur Oberfläche bewegt oder gedreht werden bzw. von oben beleuchtet wird und Betrachter aus verschiedenen Richtungen auf eine Oberfläche z.B. eine zu therapierende Oberfläche schauen.
Dieses System ist mithin so gestaltet, dass bei Verwendung eines gemeinsamen Beleuchtungssystems für mehrere Betrachter mit gleich eingestellten Betrachtungssystemen vergleichbare Sichtverhältnisse vorliegen. Durch Veränderung der Drehrichtung des einfallenden Lichtes verändert sich auch der Betrachtungsmode für alle Beobachter gleichartig.
Es ist ebenfalls möglich, Betrachtungssysteme mit variablen Analysatoren zum Einsatz zu bringen, die es dem Beobachter überlassen, zu entscheiden, ob das von der Oberfläche reflektierte Licht durchgelassen oder gesperrt wird. Unabhängig von der eingestellten Drehrichtung des einfallenden Lichtes ist es jedem Beobachter möglich den seinen eigenen Bedürfnissen entsprechenden Betrachtungsmode zu wählen, ohne die Sicht anderer Beobachter zu beeinflussen.
Ausserdem ergibt sich als Vorteil, dass die erfindungsgemäße Apparatur mit unpolarisiertem Licht als konventionelle Lichtquelle anwendbar ist, wenn die Polarisatoreinheit entfernt wird. Durch den Einsatz einer Irisblende vor einer Abbildungslinse kann die Beleuchtungsfeldgröße bedarfsgerecht eingestellt werden.
In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dessen genannten Vorteilen zeichnet sich die dazugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dadurch aus, dass elliptisch polarisiertes Licht von elliptisch (z.B. zirkulär) rechts- bis elliptisch (z.B. zirkulär) linksdrehnd stufenlos nach Bedarf hergestellt werden kann und die Umstellung durch einfaches Drehen an einem linearen Polarisator und/oder einem optischen Verzögerungselement des Beleuchtungssystems erfolgt. Somit kann durch Ändern der Polarisationcharakteristik des eingestrahlten Lichtes mittels Betrachtungssystem das von einer Oberfläche reflektierte oder das an deren Substruktur gestreute Licht richtungsunabhängig hervorgehoben betrachtet werden. Der Relief- bzw. Substrukturanteil des zur Betrachtung kommenden Bildes lässt sich in weiten Grenzen stufenlos einstellen.
Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Zeichnungen wird eine erfindungsgemäße Lösung beschrieben. Hierbei zeigen:
Figur 1 : das Beleuchtungssystem
Figur 2; das Betrachtungssystem.
Die Figur 1 zeigt ein Beleuchtungssystem 1 zur Hautuntersuchung, welches z.B. als Decken-, Wand-, Tischkonstruktion oder auf einem Stativ als Hand- oder Kopflampe etc. angeordnet sein kann. In Richtung des zu Untersuchenden sind die zur Beleuchtung vorgesehenen Elemente wie folgt angeordnet:
Der anwendungsfallabhängig auszuwählenden Halogenlampe 1.1 sind bevorzugt ein UV-Filter 1.2 und ein IR-Filter 1.3 nachgeordnet. Die Beleuchtungsfeldgröße kann mit einer Irisblende 1.4 eingestellt werden. Die Beleuchtungsfelderzeugung erfolgt bevorzugt mit Hilfe eines konvexen Linsensystems, dem Objektiv 1.5. Hinter dem Objektiv 1.5 befindet sich ein linear polarisierender Filter 1.6. Diesem folgt ein λ/4 Verzögerungselement 1.7. Der linear polarisierende Filter 1.6 und das Verzögerungselement 1.7 sind gegeneinander so drehbar, dass elliptisch polarisiertes Licht mit Rechts- und Linksgang nach Bedarf hergestellt werden kann.
Das Beleuchtungssystem 1 ist so konzipiert, dass Filter 1.6 und Verzögerungselement 1.7 als Polarisatoreinheit 1.8 abnehmbar sind und das Beleuchtungssystem 1 somit ebenfalls als konventionelle Lichtquelle benutzt werden kann.
Das in Figur 2 dargestellte Betrachtungssystem 2 besteht aus einer Kopfbandlupe 2.1 und einem einschwenkbarem Analysator 2.2. Der Analysator 2.2 besteht aus einer der betrachteten Fläche zugewandten λ/4 Verzögerungsfolie und einer unter einem Winkel von 45° zur Vorzugsrichtung des optischen Verzögerungelennentes angebrachten linearen Polfolie. Erzeugt man mit dem Beieuchtungssysteim 1 elliptisch polarisiertes Licht, das nach Reflexion (Umkehr seiner Drehrichtung) vom Analysator 2.2 des Betrachtungssystems 2 gesperrt wird, erhält man ein optimales Bild der unter der reflektierenden Oberfläche der Haut liegenden Struktur, z.B. des Verlaufs der Blutgefäße. Erzeugt man mit dem Beleuchtungssystem 1 elliptisch polarisiertes Licht das nach Reflexion (Umkehr seiner Drehrichtung) vom Analysator 2.2 des Betrachtungssystems 2 durchgelassen wird, erhält man ein optimales Bild der oberflächlichen Reliefstruktur, also z.B. der Hautfalten. Erzeugt man mit dem Beleuchtungssystem 1 nach Entfernung der Polarisatoreinheit 1.8 unpolarisiertes Licht, so ist ein weitgehend natürliches Erscheinungsbild der Oberfläche zu betrachten. Bei Verwendung der Kopfbandlupe 2.1 ist der Analysator 2.2 für diesen Betriebsmode zurückklappbar. Die Beleuchtungsfeldgrößen sind in jedem oben genannten Betriebsmode mittels der Irisblende 1.4 einstellbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten einer Oberfläche, bei dem die Oberfläche mittels elliptisch polarisiertem Licht beleuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem mindestens einen Analysator enthaltenden Betrachtungssystem das von der Oberfläche reflektierte Licht gesperrt oder durchgelassen wird, um entweder das von der Oberfläche reflektierte oder das an einer Substruktur dieser Oberfläche gestreute Licht hervorgehoben zu betrachten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Betrachtungssystems ein optisches Verzögerungselement und ein linear polarisierender Filter separat und gegeneinander drehbar verstellt werden und die Durchlasscharakteristik für elliptisch polarisiertes Licht vom Betrachter selbst eingestellt wird.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen der Durchlasscharakteristik des Betrachtungssystems durch Einsatz unterschiedlich dimensionierter optischer Verzögerungselemente erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Beleuchtungssystems ein linear polarisierender Filter und ein optisches Verzögerungselement separat und gegeneinander drehbar verstellt werden, um elliptisch polarisierendes Licht mit rechts- oder linksgängigem Drehsinn herstellen zu können.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen der Polarisationscharakteristik des vom Beleuchtungssystem abgegebenen Lichtes mittels unterschiedlich dimensionierter optischer Verzögerungseiemente erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kamera mit Analysatorausrüstung als Betrachtungs- und/ oder Bilddokumentationssystem verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz unterschiedlicher Lichtquellen und/oder Filterelemente eine Sichtverbesserung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein frei bewegliches oder in Verbindung mit dem Beleuchtungssystem stehendes Betrachtungssystem vor die zu beobachtende Fläche positioniert wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche mit wenigstens einem Beleuchtungssystem beleuchtet und mit mehreren separat einstellbaren Betrachtungssystemen richtungsunabhängig betrachtet wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Wellenlängenänderung am Beleuchtungssystem eine Streuung und/oder Reflexion des eingestrahlten Lichtes an unterschiedlich, insbesondere einstellbar tiefen SubStrukturen im beleuchteten Material erfolgt.
11. Vorrichtung zum differenzierten, zielstrukturabhängigen Beleuchten und Betrachten einer Oberfläche zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, mit wenigstens einem Beleuchtungssystem (1), umfassend eine Lichtquelle und eine Polarisatoreinheit sowie mit wenigstens einem Betrachtungssystem (2) umfassend Analysatorelemente, dadurch gekennzeichnet, dass durch Beleuchtung mit elliptisch polarisiertem Licht und Ändern der Duchlassrichtung eines Betrachtungssystems das von der Oberfläche reflektierte oder das an deren SubStrukturen gestreute Licht richtungsunabhängig hervorgehoben betrachtbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass
Beleuchtungs- und Betrachtungssystem getrennte Einheiten bilden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, dass ein Betrachtungssystem (2) als konventionelle Kopfbandlupe (2.1) oder als Lupenanalysator (2.2) zur Betrachtung von mit elliptisch polarisiertem Licht beleuchteten Oberflächen ausgebildet ist.
14. Verwendung eines Verfahrens oder einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche zur Untersuchung der Haut und ihrer subepidermalen Strukturen.
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