照明系统

技术领域

本申请涉及一种照明系统。特别地，本申请涉及一种用于内窥镜的照明系统，该照明系统允许通过两种不同颜色的白色光照明和窄带(彩色)照明两者，诸如血管图案增强照明。

缩写：

B蓝色

CIE国际照明委员会

G绿色

Gw绿色宽幅

Hb血红蛋白

HbO2氧合血红蛋白

LED发光二极管

R红色

V紫色

WL白色光

WLI白色光照明

发明背景

白色光(WL)和血管模式增强照明(所谓窄谱带照明，其具有与血红蛋白吸收光谱同步的照明光谱)对于内窥镜成像越来越普遍。图1示出了Hb(血红蛋白，即，脱氧血红蛋白)和HbO2(氧合血红蛋白，即，氧合血红素)的吸收光谱，取自JP 2016-022043 A。E1至E8为Hb和HbO2的等色点，即，Hb的吸收与HbO2的吸收相同的波长(E8为准等吸收点)。换言之，等色点处的吸收独立于血红蛋白的氧合水平。W0至W7和WR表示了两个相邻等色点之间并且分别超出等色点E8的波长范围。

因此，在常规血管成像中，组织以光谱进行照明，如图2示意性地所示。光谱包括紫色光V和/或绿色宽幅光Gw。绿色宽幅光包括蓝绿色波长至红色波长。这些光大体包括波长范围W0、W1(用于V光)和W5(用于Gw光)的至少一者。在这些波长范围中，在Hb和HbO2之间存在大吸收差异。因此，吸收光的强度在包括Hb的组织和包括HbO2的组织之间明显地不同。绿色宽幅光Gw也用于在光学上观察组织。因为其可具有广泛光谱分布，所以Gw光具有绿色色调。通常，V光和Gw光的发射光谱不重叠。

在内窥镜检查中，为简化系统以及为允许与许多不同类型内窥镜的兼容性，光源可布置于外部箱中(光源箱或处理器系统)。外部箱的光可通过一个或多个光纤从内窥镜的近侧端部引导至内窥镜的远侧端部，以照明布置于内窥镜的远侧端部处的物镜的对象空间。

CIE 1931将波长在电磁可见光谱中的分布和人类色觉中生理感知颜色联系在一起。图3示出了根据CIE1931的色域(x-y平面，摘自people.cs.clemson.edu)。中间的区域(无颜色注释)表示白色光。色域边界处的数字指示相应光谱净光的波长(单位为nm)。白色光具有坐标x＝1/3；y＝1/3和z＝1/3。

发明内容

本发明提供了一种改善照明系统，该改善照明系统允许WLI和窄带照明之间的较大灵活性。

本发明提供了一种照明设备，该照明设备包括光束组合器，该光束组合器包括第一、第二和第三输入端、组合部分，和输出端；其中

组合部分配置成将第一光、第二光和第三光组合成从输出端所输出的组合光，该第一光从第一输入端输入至组合部分中，该第二光从第二输入端输入至组合部分中，该第三光从第三输入端输入至组合部分中；该组合部分包括两个双色反射表面；该组合部分配置成透过第一光的第一透过波长谱带并且阻止在第一透过波长谱带之外的波长范围的第一光；该组合部分配置成透过第二光的第二透过波长谱带并且阻止在第二透过波长谱带之外的波长范围的第二光；该组合部分配置成阻止第三光的第一透过波长谱带，阻止第三光的第二透过波长谱带，并透过第一和第二透过波长谱带之外的波长范围的第三光；第一透过波长谱带不与第二透过波长谱带重合；而且该照明设备还包括：

第一光源，该第一光源布置成将第一光输入至光束组合器的第一输入端；第二光源，该第二光源布置成将第二光输入至光束组合器的第二输入端；第三光源，该第三光源布置成将第三光输入至光束组合器的第三输入端；其中第一光包括第一透过波长谱带的至少一部分；第二光包括第二透过波长谱带的至少一部分；并且满足下述条件的至少一者：相比于透过组合部分的第二光和透过组合部分的第一光的每一者，透过组合部分的第二光和透过组合部分的第三光的组合更靠近于根据CIE1931的白色点；并且相比于透过组合部分的第二光和透过组合部分的第一光的每一者，透过组合部分的第三光更靠近于根据CIE1931的白色点。

因此，可获得血管成像的较高灵活性。也就是说，其允许通过白色光的真实RGB照明，该白色光相比于血管增强成像的标准绿色宽幅照明更靠近于白色。因此，组织可通过更自然的颜色进行观察。

附图说明

图1示出了具有等色点的Hb和HbO2的吸收光谱；

图2示意性地示出了用于血管成像的常规照明光谱；

图3示出了根据CIE 1931的色域；

图4根据本发明的一些实施例示意性地示出了照明设备的平面视图；

图5示出了本发明的一些实施例所用的正交块的三维视图；

图6(顶部)示意性地示出了本发明的一些实施例所用的正交块的反射光谱，并且图6的其余部分示出了实例LED的光发射光谱和白色输出光的光谱，这些实例LED可用作第一光源至第三光源；

图7根据本发明的一些实施例示意性地示出了正交块的反射光谱、第一光至第三光的发射光谱，以及组合光的光谱；

图8示出了黄色荧光体覆盖的LED的发射光谱，该LED可在本发明的一些实施例中部署为Gw光源；

图9示出了由黄色荧光体所覆盖的图8的LED的发射光谱，圆顶反射透镜应用于该黄色荧光体上，该LED在本发明的一些实施例中部署为Gw光源；

图10示出了LED的发射光谱，该LED可在本发明的一些实施例中部署为白色光源。

具体实施方式

根据本发明的一些实施例，如图4的平面图所示，照明设备包括三个光源1、2和3，并且三个光源的光通过双色组合器进行组合，诸如正交块8。光源1和2可对应于常规血管成像的窄带光源(即，发射V光的紫色或紫外光源，以及绿色宽幅光源Gw)。第三光源3发射光，使得如果组合器组合了Gw光源和第三光源的光，那么相比于透过双色组合器的仅Gw光和透过双色组合器的仅V光，组合光更靠近于CIE 1931的白色点(x＝y＝z＝1/3)。例如，第三光源可发射红色光；或蓝色光；或红色和蓝色光；或红色、绿色和蓝色光。在一些实施例中，相比于透过双色组合器的仅Gw光源的光和透过双色组合器的仅V光源的光，仅第三光源的光(在透射通过双色组合器的情况下)可更靠近于白色点。

对于三个光源1、2和3打开的情况，通过照明设备所发射的组合光(照明光谱)的实例示出于图6中(从底部的最后且一个光谱)。如图6所示，V光和Gw光根据现有技术可为相同的。第三光源3向组合光提供了额外蓝色和/或红色(琥珀色)光。因此，可见光谱包括RGB光(或BG光)，RGB光相比于仅绿色宽幅Gw光通常更靠近于白色点。因此，相比于常规照明系统，医生可以更自然的颜色观察组织。

在本申请中，术语“更靠近于白色点”意指在CIE1931的色域的x-y平面中距白色点x＝y＝1/3(z方向忽略)的较短欧几里得距离。坐标x

在下文中，将对照明设备的实施例进行更详细的描述。

图4以平面图示出了照明设备的概况。三个光源1、2和3布置成使得它们分别以第一光L1、第二光L2和第三光L3照明了正交块8的第一输入面、第二输入面和第三输入面。光源1、2和3的每一者可包括相应LED、激光器，或另一光发射装置。光源1、2和3的每一者可包括或可不包括一个或多个透镜、镜子或其他光学部件，以将相应光引导至正交块8的相应输入面。独立于光源1、2和3的其他者，光源1、2和3的每一者可为可控制的。例如，光源1、2和3的每一者可独立于其他光源打开和关闭。在一些实施例中，此外，一些光源的强度可单独地控制。

图5示出了正交块8的三维视图。小字母a至h表示正交块的角部。正交块包括第一双色反射表面a-c-g-e和第二双色反射表面b-f-h-d。在图4所示的正交块8的平面图中，双色反射表面的截面a-c和b-d形成了方形的对角线，从而形成正交块的上部表面。在一些实施例中，正交块的组合部分包括第一和第二双色反射表面。

输入面为正交块的三个外部侧表面。也就是说，第一输入面为侧表面a-b-e-f，第二输入面为侧表面c-g-h-d，并且第三输入面为侧表面a-e-h-d。第一输入面与第二输入面相对，并且第三输入面连接了第一和第二输入面。

组合光L4从输出面b-f-g-c发射。输出面与第三输入面相对并且连接了第一和第二输入面。

第一和第二双色反射表面的每一者反射了相应波长谱带，并且透射了反射波长谱带之外的波长谱带的光。优选地，双色反射表面的一者或两者透射了相应反射波长谱带之外的所有可见波长。

图6(顶部)示意性地示出了正交块X的反射光谱。第一双色反射表面反射了V光，并且第二双色反射表面反射了Gw光。双色反射表面的反射率可为彼此相同或不同的，如图6所示。

图6的其余部分根据本发明的一个实施例示意性地示出了光源的对应光强度。光源可为例如：

·光源1(L1，紫色)：从顶部的第二图表(例如，日亚化学工业株式会社(NichiaCorporation)的NVSU233B-U405)；

·光源2(L2，绿色)：从顶部的第三图表(例如，日亚化学工业株式会社的NCSGE17AT)；和

·光源3(L3，其他)：底部的图表(例如，日亚化学工业株式会社的NF2L757GRT-V1。

当L2和L3均打开时，从图6的底部的第二图表的光谱示出了输出光。如可看出，组合光包括R、G和B光，使得其相比于仅L2的光谱更靠近于CIE1931的白色点。

图7针对正交块的反射光谱额外示意性地示出了第一至第三发射光L1、L2和L3和所得组合光L4的波长范围。出于简单的目的，图7的反射光谱的边缘为尖锐的，并且视为反射率为100％或0％。此外，图7仅指示波长范围，其中发射了第一光L1至第三光L3，从而忽略了波长的任何强度依赖性。如果这些简化为无效的，那么所得组合光L4通过反射光谱(第一光L1和第二光L2)或透射光谱(第三光L3)和光强度的卷积来获得。

第一双色反射表面a-c-g-e反射了第一透过波长谱带的光(例如，紫色和/或紫外光；在图6表示为第一)，该光输入至第一输入面，使得其从输出面离开，并且其透射了其他可见波长。第一光源1发射了紫色和/或紫外光L1。第一光源1的发射光谱和第一双色反射表面a-c-g-e的反射光谱重叠。因此，如果第一光源1将第一光L1发射至第一输入面a-b-e-f，那么组合光L4包括重叠波长范围的紫色和/或紫外光。例如，该光可为常规血管成像的V光，或与之不同的光。不同于第一双色反射表面的反射光谱的波长(第一透过波长谱带)的第一光源1的第一光L1透射通过第一双色反射表面，使得其对于输出光L4无益。

第二双色反射表面b-f-h-d反射了第二透过波长谱带的光(例如，绿色光；在图6中表示为第二)，该光输入至第二输入面，使得其从输出面离开，并且其透射了其他可见波长。第二光源2发射了绿色光或绿色宽幅光L2。第二光源2的发射光谱和第二双色反射表面b-f-h-d的反射光谱重叠。因此，如果第二光源2将第二光L2发射至第二输入面c-g-h-d，那么组合光L4包括重叠波长范围的绿色或绿色宽幅光。例如，该光可为常规血管成像的Gw光，或与之不同的光。不同于第二双色反射表面的反射光谱的波长(第二透过波长谱带)的第二光源2的第二光L2透射通过第二双色反射表面，使得其对于输出光L4无益。第一透过波长谱带和第二透过波长谱带不重叠。

通过第三光源3所发射的第三光L3透射通过第一双色反射表面a-c-g-e和第二双色反射表面b-f-h-d两者，以有益于组合光L4。因此，第三光源3通过其发射的第三光3有益于组合光L4，第一透过波长谱带的光和第二透过波长谱带的光由此受阻。

在图7的实例中，第一光L1的波长范围大于第一双色反射表面的第一透过波长谱带(第一反射波长谱带)。组合光L4仅包括透过波长谱带内的第一光L1的贡献。因为其他光L2和L3均未在波长范围内发射，该波长范围超出第一透过波长谱带，所以组合光L4具有该波长范围内的间隙12。

相比于第二光L2的发射光谱，第二双色反射表面的第二透过波长谱带(第二反射波长谱带)更远地延伸至长波长侧部。正交块未使第三光L3透过第二双色反射表面的反射波长谱带。因此，组合光L4具有该波长范围中的间隙13。

在波长范围15中，第二光L2通过第二双色反射表面进行透射。因此，第二光L2未有益于该波长范围15中的组合光L4。另一方面，第三光L3也包括波长范围15。第三光透过(透射)通过第一和第二双色反射表面两者，使得其有益于波长范围15中的组合光L4。

另一方面，在波长范围16中，仅第二光L2有益于组合光L4，因为在波长范围16中，第三光L3通过第二双色反射表面进行反射，使得其未从输出面离开。

图7示出了反射波长谱带和对应发射波长谱带的实例。该实例为非限制性的。例如，发射波长范围的一者或多者可小于对应反射波长谱带。第三光可具有其发射光谱(优选地，第二反射波长谱带)中的间隙。第三光在第二反射波长谱带的仅一个侧部上具有发射光谱。反射波长谱带和对应发射波长谱带可布置成使得组合光L4的波长范围不具有任何间隙或任何数量的间隙。

通常，第一和第二光源1和2包括两个窄带光源，诸如紫色光源(LED或激光器)和绿色(或绿色宽幅)光源(LED或激光器)。第三光源3通常为宽带光源，诸如白色(或白)光源。白色光源可为荧光体覆盖的LED(或激光器)，其中荧光体将由LED(激光器)所发射的蓝色/紫色/紫外光的一部分转换成较长波长的光。

图8和图9示出了实例LED的一些发射光谱，这些实例LED可用作绿色(绿色宽幅)光源(图4和图6中的L2)。图8示出了荧光体覆盖的白色LED的发射光谱，该白色LED可用作Gw光源。不过，优选的是利用具有圆顶反射透镜的该LED，如图9所示和DE 11 2018 003134T5所解释(图11和图12)。也就是说，未直接地透过圆顶反射透镜的开口的白色LED的光在圆顶反射透镜和LED之间数次反射，每次透过荧光体，其最后透过圆顶反射透镜的开口至外部。因此，绿色荧光的比例在输出光中得以增强。

图10示出了另一实例LED的发射光谱，该另一实例LED可用作白色光源(图4和图6中的L3)。在这种情况下，LED覆盖有红色和绿色荧光体的混合物。

在一些实施例中，窄带光源的一者(例如，发射绿色光的第二光源2)发射了绿色光的此类宽光谱，该绿色光看起来如同具有绿色色调的白色。另一方面，第三光源3可将互补颜色发射至第二光源，即，红色和蓝色光。因此，组合光包括RGB。

表1示出了双色反射表面的反射谱带的一些实例。这些反射谱带根据图1所示的Hb和HbO2的等色点进行选择。W1至W6对应地表示图1所示的波长范围。所示谱带之外的第三光可透过正交块以有益于组合光。

表1：用于血管成像的第一和第二双色反射表面的优选反射率谱带

上文所描述的颜色的波长范围为下述范围内的实例：

·紫色或紫外380–450nm。

·蓝色：450-495nm。

·绿色：495-570nm。

·黄色：570-590nm。

·橙色：590-620nm(有时也称为琥珀色)。

·红色：620-750nm。

可见光视为覆盖400-750nm的波长范围。

足够的是，光强度的主要部分在所示波长范围中进行发射/反射/透射。光可包括或可不包括所示波长范围之外的其他分量。

本发明的一些实施例描述为，双色反射表面完全地反射相应透过波长谱带(反射率＝100％)并且完全地透射相应透过波长谱带之外的波长(透射率

＝100％)。不过，在一些实施例中，反射率可小于100％。例如，反射率可大于60％，优选地大于80％。对应地，在一些实施例中，透射率可小于100％。例如，透射率可大于60％，优选地大于80％。

描述了本发明的一些实施例，其中光通过正交块进行组合。不过，本发明不限于用以组合光的正交块。替代地，可使用两个双色镜，所述双色镜具有对应于正交块的双色反射表面的光谱反射率。两个双色镜依次地布置。在第一双色镜中，第一光至第三光的两者进行组合，并且在第二双色镜中，第一双色镜的组合光与第一光至第三光的剩余光进行组合。

在一些实施例中，甚至三种以上的光进行组合。例如，正交块(或两个双色镜)的组合光通过(另一)双色镜与第四光进行组合，或其通过(另一)正交块等与第四光和第五光进行组合。另外，正交块可包括一个或两个另外的双色反射表面。在图5的透视图中，这些另外的双色反射表面可布置成使得它们将进入正交块的顶部面和底部面的光反射至输出面(表面a-f-g-d和h-e-b-c)。这些另外的双色反射表面的反射谱带不彼此重叠，并且不与其他双色反射表面的反射谱带重叠。

替代正交块，可使用正交棱镜，其中侧部长度的至少一者不同于其他侧部长度，和/或其中边缘的至少一者未形成直角。

根据本发明的一些实施例，照明设备可不包括任何可移动部分。特别地，相对于彼此，相对于输入面，或相对于光源，反射双色表面可为不可移动的，这有利于设置并且减少维护工作。

根据本发明的一些实施例的照明系统可布置于外部箱(光源箱或处理器系统)中。外部箱的光可通过一个或多个光纤从内窥镜的近侧端部引导至内窥镜的远侧端部，以照明布置于内窥镜的远侧端部处的物镜的对象空间。不过，光源可布置于控制本体、内窥镜连接器中，或甚至替代地布置于内窥镜的远侧末端中。

在一些实施例中，光纤和光学器件可视为属于照明设备的输出端，该光学器件用以将光从正交块引入至光纤中。在这些实施例中，当设计光源和双色反射界面时，可考虑其对于从正交块所输出的光的影响。

包括照明设备的内窥镜可为无轴的胶囊式内窥镜(例如，柔性管)，或可为包括刚性末端部分和轴的内窥镜(例如，刚性或柔性管)。刚性末端部分可直接地或经由角度部段间接地连接至轴。

如果需要或期望至少两个彩色照明光和白色(或大体白色)照明光，根据本发明的一些实施例的照明设备可用于内窥镜外部。根据待观察的物质，彩色光源可发射不同于紫色(或紫外)光和绿色(或绿色宽幅)光的颜色。例如，可应用一些荧光成像剂，诸如5-ALA，这些荧光成像剂具有405nm的吸收峰值波长，并且双色镜的反射谱带可相应地进行调整。