DE3202080A1

DE3202080A1 - "beleuchtungssystem fuer endoskope"

Info

Publication number: DE3202080A1
Application number: DE19823202080
Authority: DE
Inventors: Kimihiko Hachiouji Tokyo Nishioka
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1981-01-26
Filing date: 1982-01-23
Publication date: 1982-10-21
Also published as: JPH0373844B2; DE3202080C2; US4403273A; JPS57125731A

Description

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem für Endoskope, insbesondere ein Beleuchtungssystem für Endoskope mit einem weiten Blickwinkel.

Die bekannten Beleuchtungssysteme für Endoskope sind aus einem optischen System 3 aufgebaut, das aus einem Lichtleiter 3a und konkaven-Linsen 3b besteht, die hintereinander parallel einem optischen' Reobachtungssystem 2 in einem rohrartigen Gehäuse 1 angeordnet sind, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Weil jedoch der Blickwinkel von Endoskopen anwachsen mußte, um über 100° Blickwinkel zu erreichen, wurde es mit den bekannten Beleuchtungssystemen, wie in Fig. 1 dargestellt, schwierig, den mit dem Endoskop zu beobachtenden Bereich am Außenrand genügend hell auszuleuchten, weil, wenn die Stärke der konkaven Linse 3b anwächst, um den Bereich am Außenrand hell auszuleuchten, wächst die Menge der Lichtstrahlen, die wie die völlig reflektierten Lichtstrahlen L1 und L2 auf die Seite der konkaven Linse 3b treffen, an, und geht insgesamt verloren. Daher muß, um das Auftreffen .des Lichtes auf die Seiten der konkaven Linsen zu verhindern, der Durchmesser der konkaven Linsen vergrößert werden. Dies bringt.keine befriedigenden Ergebnisse.

Um diese Mangel der bekannten Beleuchtungssysteme für Endoskope zu beseitigen, wurde vorgeschlagen, die ausgangsseitige Stirnseitenfläche des Lichtleiters, wie in Fig. · 3 dargestellt, diagonal einzuschneiden und durch Ausnutzung der Lichtbrechung durch diese Stirnfläche den ausgeleuchteten Bereich zu vergrößern. Jedoch wird bei dieser Methode, wenn der Winkel zwischen der ausgangsseitigen Endfläche 4a

des Lichtleiters 4 und der Achse 4b des Lichtleiters 4 verkleinert wird, um den ausgeleuchteten Bereich zu vergrößern, wie in Fig. 3 dargestellt, das Licht durch die austrittsseitige Stirnseitenfläche 4a vollkommen reflektiert und damit der Lichtbetragsverlust begründet. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird deutlich, daß es prinzipiell unmöglich ist, den auszuleuchtenden Bereich auf mehr als Tf/2 (ist gleich 90°) auszudehnen. Daher können Beleuchtungssysteme,derart wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, nicht für Endoskope benutzt werden, die einen Blickwinkel haben, der größer als 120° ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Beleuchtungssystem zu schaffen, mit dem bei einfachem Aufbau ein sehr großer Bereich beleuchtet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird daher ein Beleuchtungssystem mit einer Lichtleiteinrichtung, die aus einem Licht überträgenden Faserbündel besteht, vorgeschlagen, das erfindungsgemäß eine stabförmige Reflektionseinrichtung aufweist, die vor der Lichtleiteinrichtung angeordnet ist und in dem die Lichtleiteinrichtung und die stabförmige Reflektionseinrichtung so angeordnet sind, daß mindestens eine der optischen Achsen der Lichtleiteinrichtung und der stabförmigen Reflektionseinrichtung zumindest entweder die ausgangsseitige Stirnseitenfläche der Lichtleiteinrichtung oder die eingangsseitige Stirnseitenfläche der stabförmigen Reflektionseinrichtung nicht im rechten Winkel schneidet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der stabförmige Reflektor eine eingangsseitige Stirnseitenfläche auf, die eine entweder glatte oder ge-

krümmte Oberfläche aufweist, die seine Achse diagonal schneidet. Vorteilhafterweise wird der stabförmige Reflektor aus einer einzigen Faser hergestellt, nicht nur um die Herstellung zu erleichtern, sondern auch um einen Lichtverlust zu verhindern und um die Möglichkeit zu schaffen, den gesamten Bereich gleichmäßig auszuleuchten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der stabförmige Reflektor eine reflektierende Fläche auf, die seine optische Achse diagonal schneidet. Weiterhin kann der stabförmige Reflektor zwei endseitige Stirnseitenflächen aufweisen, die beide zu seiner optischen Achse einen rechten Winkel bilden.

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt F i g. 1 ein Endoskop, das mit einem bekannten Beleuchtungssystem ausgerüstet ist, in einer schematischen Teilansicht,

F i g. 2 und 3 ein Beleuchtungssystem in verschiedenen bekannten Ausführungsformen in einer schematisehen Teilansicht,

F i g. 4 ,einen Teil von Fig. 3 in einer Ausschnittsvergrößerung ,

F i g. 5 das Beleuchtungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Teilansicht, F i g. 6 den Weg der Lichtstrahlen innerhalb des Beleuchtungssystems in einer schematischen Teilansicht,

Fig. 7 die Verteilung des Lichts durch das Beleuchtungssystem in Abhängigkeit vom Ausstrahlungswinkel in einer

A » ·η · a

3.2Q.2080

grafischen Darstellung,

Fig. 8 die Verteilung des Lichtes durch das Beleuchtungssystem in einer schematischen Darstellung, Fig. 9 bis 11 weitere Ausführungsformen des Beleuchtungssystems in schematischen Teilansichten,

Fig. 12 einen Teil von Fig. 6 in einer Ausschnittsvergrößerung,

Fig. 13 den Weg der Lichtstrahlen beim Übergang aus dem Lichtleiter in ein gasförmiges Medium in einer schematisehen Darstellung,

Fig. 14 eine weitere Ausführungsform des Beleuchtungssystems in einer schematischen Teilansicht,

Fig. 15 den Zusammenhang zwischen Gestalt und Größe des stabförmigen Reflektors und der Lichtreflektion in einer schematischen Darstellung,

Fig. 16 das Beleuchtungssystem innerhalb eines Endoskops mit im rechten Winkel versetzter Blickaustrittsöffnung in einer schematischen Teilansicht,

Fig. 17a und 17b ein Endoskop mit einem Beleuchtungssystem mit veränderbarer Ausstrahlungsrichtung in einer schematischen Teilansicht,

Fig. 18 ein Endoskop mit einem bekannten Beleuchtungssystem und einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem in Kombination in einer schematischen Teilansicht, Fig. 19a bis 19c den stabförmigen Reflektor in weiteren Ausfuhrungsformen,

Fig. 20 bis 22 das Beleuchtungssystem in weiteren Ausführungsformen für ein Endoskop mit im rechten Winkel ver-

·.. .„. ·.. , 3.2 0.2 P 8 0

setzter Blickaustrittsöffnung in einer schematischen Teilansicht,

Fig. 23 ein bekanntes Beleuchtungssystem für ein Endoskop mit im rechten Winkel versetzter Blickaustrittsöffnung in einer schematischen Teilansicht,

Fig. 24 das Beleuchtungssystem mit einem Lichtleiter, der am austrittsseitigen Ende eine schräge Stirnfläche aufweist, .in einer schcirria ti sehen Teilansicht,

Fig. 25 bis 29 das Beleuchtungssystem in weiteren Ausführungsformen mit eintrittsseitig V-förmigen Stirnflächen in schematischen Teilansichten,

Fig. 30 das Beleuchtungssystem mit einem Lichtleiter, der am austrittsseitigen Ende eine V-förmige Stirnfläche aufweist, in einer schematischen Teilansicht,

] !5 Fig. 31 bis 34 das Beleuchtungssystem in weiteren Ausführungsformen in schematischen Teilansichten,

Fig. 35 das Beleuchtungssystem mit dem Strahlengang eines Lichtstrahls bei völliger Reflektion an der austrittsseitigen Stirnseitenfläche in einer Ausführung gemäß Fig. 6 in einer schematischen Teilansicht,

Fig. 36 die Beleuchtung, die durch die Verwendung eines Glasdeckels entsteht, in einer schematischen Darstellung,

F i g. 37 den Zusammenhang zwischen Eintritts- und Austrittswinkel des Lichtes im stabförmigen Reflektor nach Fig. 31 in einer schematischen Darstellung,

Fig. 38 die Verteilung des Lichts durch das Beleuchtungssystem nach Fig. 37 in Abhängigkeit vom Austrittswinkel in einer grafischen Darstellung,

3.2 0,2 O 8 O

— g _

Fig. 39 eine weitere Ausführungsform des Beleuchtungssystems mit einem Lichtleiter der auf der optischen Achse des κ I ab f ihm ige η Reflektors liegt,

Fig. 40 die Verteilung des Lichts durch das Bcleuchtungssystem nach Fig. 39 in Abhängigkeit vom Austrittswinkel in einer grafischen Darstellung,

Fig. 41 eine weitere Ausführungsform des Beleuchtungssystems mit spiralförmigem Faserbündel des Lichtleiters. Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist mit ein stabförmiger Reflektor bezeichnet, dessen eintrittsseitige Stirnseitenfläche 11a diagonal schräggestellt ist und der vor dem Lichtleiter 10 angeordnet ist, damit die austrittsseitige Stirnseitenfläche 10a des Lichtleiters 10 und die eintrittsseitige Stirnseitenfläche 11a des stabförmigen Reflektors 11 die Achse 11b des stabförmigen Reflektors 11 diagonal anstatt rechtwinklig schneiden.

Der stabförmige Reflektor 11 besteht vorteilhafterweise aus einem aus einer einzigen Faser bestehenden Glasstab, einem Metallrohr mit glatter innerer Oberfläche· Der Glasstab ist auf der seitlichen Oberfläche beschichtet. Die einzelne Faser ist in der Beziehung überlegen, daß der Reflektionsfaktor der reflektierenden Fläche hoch ist, und sogar wenn die Reflektionsflache bei der Montage beschmutzt wird, wird der Reflektionsfaktor nicht reduziert, wodurch die Kosten gering sind.

Eine Ausschnittsvergroßerung der voranstehend beschriebenen Ausführungsform, in der die Einzelfaser, die eine schräggeschnittene eintrittsseitige Stirnseitenfläche be-

sitzt, als stabförmiger Reflektor 11 verwendet wird, zeigt Fig. 6 als Schnittdarstellung in der Ebene, die auch die Mittellinienachse 11b und die maximale Steigung der eintrittsseitigen Stirnseitenfläche 11a umfaßt und im folgenden mit Meridionalebene bezeichnet wird. Hierin ist dargestellt, daß die parallel zur optischen Mittelachse der Fasern des Lichtleiters 10 austretenden Lichtstrahlen die höchste Intensität von den hieraus austretenden Lichtstrahlen haben, wozu beispielhaft· die besonders günstigen Lichtstrahlen L3 und L4 des parallel aus den Fasern austretenden Lichts dargestellt sind. Der Lichtstrahl L3 wird einmal auf der seitlichen Oberfläche der Einzelfaser 11 reflektiert, anschliessend durch die austrittsseitige Stirnseitenfläche 11b gebrochen und tritt aus der Einzelfaser 11 unter dem Winkel θ , der sich zwischen Austrittsrichtung des Strahles und der Mittellinie 11b der Einzelfaser ergibt, aus, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Der Lichtstrahl 11 hier wird zweimal auf der seitlichen Oberfläche der Einzelfaser 11 reflektiert und tritt anschließend unter dem Winkel θ zur Mittellinie 11b des Einzelfadens aus. Die nicht mit der optischen Achse des Licht führenden Faserbündels 10 parallelen Lichtstrahlen L¹3 und L¹4 werden auch auf der seitlichen Oberfläche der Einzelfaser 11 reflektiert,durch die austrittsseitige Stirnseitenfläche lic gebrochen und verlaufen dann zum Betrachtungsobjekt. Daher ergibt die Lichtverteilungscharakteristik (Fig. 7) eines in Fig. 8 dargestellten Beleuchtungssystems Maxima H in der Richtung der Winkel _ θ , die sich, wie in Fig. 6 dargestellt, zwischen der Abstrahlrichtung und der Mittellinie 11b der Einzelfaser 11 ergeben.

Wenn man den Steigungswinkel der eintrittsseitigen Stirnseitenfläche 11a der Einzelfaser 11 mit Oi und den Brechungsindex der Schicht 11a der Einzelfaser 11 mit η bezeichnet, ergibt sich der genannte Winkel θ aufgrund folgender Formel

(1): _Ί

θ = sin (η sin O. ) (1)

Daraus ergibt sich beispielsweise für CX = 32° und η = 1,8, für θ der Wert:. 72°53'. Sogar, wenn bei einem Endoskop der Blickwinkel 140° überschreitet, kann daher das Sichtfeld bis zu den Außenrandbereichen genügend hell ausgeleuchtet werden. Der Lichtmangel im mittleren Bereich kann überdies durch die Verwendung eines weiteren Beleuchtungssystems ausgeglichen werden. Wenn nämlich ein weiteres, für die Verwendung in einem Endoskop mit normalem Blickwinkel vorgesehenes, Beleuchtungssystem zu einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem hinzugefügt wird, um den zentralen Bereich des Sichtfeldes auszuleuchten, ist es möglich, vom Außenrandbereich bis zum zentralen Bereich über einen sehr weiten Blickwinkel das Sichtfeld auszuleuchten, weil der zentrale Bereich selbst durch das zweite Beleuchtungssystem ausgeleuchtet wird.

Wenn der Winkel Oi > sin ~ ( ) ist, werden die

ⁿc

Lichtstrahlen L3 und L4 an der austrittsseitigen Stirnseitenfläche lic der Einzelfaser 11 völlig reflektiert, was unerwünscht ist. Deshalb sind aus im weiteren erläuterten Gründen für η Werte > 1,68, d.h. OC < 36,5° vorzuziehen.

Die bisherigen Erläuterungen beziehen sich auf den Strahlengang des Lichtes in der Meridionalebone. Bezüglich

.. 32020 ao

des Strahlenganges des Lichtes in einer zur Meridionalebene senkrechten Ebene, auch bekannt als Charakteristik der Faser, kann festgestellt werden, daß sich das Licht, wenn die Länge, des stabförmigen Reflektors groß genug ist, im Hinblick auf die Form der austrittsseitigen Stirnseitenfläche lic ■ gleichmäßig ausbreitet. Wie in Fig. 8 dargestellt ist, ergibt sich daher ein Kreisring H mit maximaler Lichtintensität, Da, wie im weiteren beschrieben, die Lichtverteilung im wesentlichen gleichförmig sein soll, ist es vorteilhaft, daß die Anzahl M der Reflektionen des auf der Meridionalebene des Licht führenden Elements 10 ausgestrahlten Lichtstrahles auf der Seitenoberfläche des stabförmigen Reflektors 11 wenigstens eins ist. Falls ein langer, stabförmiger Reflektor nicht angewendet werden kann, sollten zwei stabförmige Reflektoren 12,13 so angeordnet werden (Fig. 9), daß sich ihre Meridionalebenen unter einem rechten Winkel schneiden. Bei einer weiteren Ausführungsform der in Fig. 9 dargestellten Ausführung (in Fig. 10 und 11 dargestellt , wobei Fig. 10b eine Ansicht in der in Fig. 10a eingezeichneten Pfeilrichtung ist), ist die eingangsseitige Stirnseitenfläche 11a der Einzelfaser 11 pyramidenförmig geschliffen ausgebildet, wobei deren Seitenflächen die entsprechenden eintrittsseitigen Flächen bilden und die Lichtleiter 10 an den entsprechenden Eintrittsflächen angeordnet werden. Wenn die Lichtleiter angeordnet werden, wie es in Fig. 9 bis 11 dargestellt ist, und auch, wenn die Länge des stabförmigen Reflektors 11 gering ist, wird eine gleichförmige Beleuchtung erreichbar. Auch bei diesen Ausführungsformen ist es

wünschenswert, daß der stabförmige Reflektor 11 eine solche Länge hat, daß die zur optischen Mittelachse des Lichtleiters 10 parallelen Lichtstrahlen zwischen dem Austritt aus dem Lichtleiter und der Fortpflanzung in der Meridionalebene mindestens einmal auf der seitlichen Oberfläche des stabförmigen Reflektors 11 reflektiert werden.·

Durch die oben stehenden Ausführungen ist deutlich geworden, daß mit einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem ein großer Winkel bezüglich des Leuchtfeldes erreichbar bar.

Der Zusammenhang zwischen dem Steigungswinkel OC , dem Durchmesser b , der eintrittsseitigen Stirnseitenfläche 11a und der Länge L de-s stabförmigen Reflektors 11 und dem Blickwinkel 2 CO des Endoskops wird im folgenden für die Anwendung des Beleuchtungssystems in einem bekannten Endoskop beschrieben. Wenn der Lichtstrahl, bei dem der Winkel mit der optischen Achse des Lichtleiters 10 bei Eintritt des Lichtstrahles vom Lichtleiter 10 in die Einzelfaser 11, L¹3 und der Winkel zwischen dem Lichtstrahl L¹3 und der optischen Achse des Lichtleiters 10 (3 genannt wird, gilt (Fig. 12 als Vergrößerung von Fig. 6) folgende Relation:

sin P = -i- sin β a (2)

η
c

Hierbei ist mit ßa der Winkel zwischen der optischen Achse des Lichtleiters 10 und dem Lichtstrahl bezeichnet, der, wie in Fig. 13 dargestellt, den maximalen Winkel zur optischen Achse des Lichtleiters 10 beim Austritt aus dem Lichtleiter 10 in Luft erreicht.

In der Meridionalebene des in Fig. 12 dargestellten

-. 320Z0&0

- .14 -

Systems hat der Lichtstrahl L¹3 den maximalen Brechungswinkel 9m nach der Brechung durch die außenseitige Stirnseitenfläche lic der Einzelfaser 11. Wenn der Sichtwinkel des Endoskops 2 63 ist, muß, damit die Beleuchtung das gesamt Sichtfeld überdeckt, der Winkel 0m größer sein als der Winkel ω Da sich der Winkel Om aus der folgenden Formel (3) für das in Pig. 12 dargestellte optische System ergibt, muß die anstehend folgende Formel (4) erfüllt werden:

9m = sin ~^λ ( n_c sin ( oc + β ) ) (3)

sin -¹ ( n_c sin ( α + (3 ) ) > OJ (4)

Wenn der Berechnungsindex der Schicht 11b der Einzelfaser 11 n-_ genannt wird, muß, unter Berücksichtigung, daß der unter dem Winkel aus der Einzelfaser austretende Lichtstrahl völlig reflektiert werden dürfte, die folgende Formel erfüllt werden.:

ι* - n£ I sin ω (5)

Da n„ = 1,5 und Ca) > 50° in der Praxis übliche Werte darstellen, ist n_c > 1,68 erreichbar.

Die Positionierung des Lichtleiters 10· an der eintrittsseitigen Stirnseitenfläche 11a der 'Einzelfaser wird im folgenden untersucht. Falls der Lichtleiter 10 dünner als der stabförmige Reflektor (Einzelfaser) 11, und bei der Positionierung, wie sie beispielhaft in Fig. 14 dargestellt ist, werden die Lichtstrahlen, die in der Meridionalebene parallel zur optischen Achse des Lichtleiters verlaufen, alle nach links reflektiert, das bedeutet, daß die Beleuchtung schwankt. Dies wird in dem Fall eintreten, wenn die

Anzahl der Reflektionen auf der seitlichen Oberfläche der Einzelfaser 11 der mit der optischen Achse des Lichtslei- . ters 10 parallelen Strahlen zwischen Lichtleiter 10 und Austritt aus der Einzelfaser 11 alle gleich sind. Innerhalb eines optischen Systems, wie es Fig. 6 darstellt, in dem die Anzahl der Reflektionen der Lichtstrahlen L3 eins und die Anzahl der Reflektionen des Lichtstrahls L4 zwei beträgt, wird keine Schwankung der Beleuchtung verursacht. Um also keine merkbare Schwankung zu erreichen, ist es daher Bedingung, daß die Anzahl der Brechungen der Lichtstrahlen, die zur optischen Achse des Lichtleiters 10 parallel sind, nicht alle gleich sind. Die Anzahl M der Brechungen der zur optischen Achse des Lichtleiters 10 parallelen und durch irgendeinen Punkt Q der eintrittsseitigen Stirnseitenfläche 11a der Einzelfaser 11 tretenden Lichtstrahlen ist durch die folgende Formel (6) gegeben:

(L +{—^- + X₀- tan«· J-tan α. + 2 M=L ] gauss... (6)

Hierbei ist mit d der Durchmesser der Einzelfaser, X_Q die X-Koordinaten des Eintrittspunktes Q, mit L die Länge der optischen Mittelachse 11b der Einzelfaser 11 bezeichnet. £ ~\ gauss bedeutet hier: Der größte ganzzahlige Wert, der den Wert in der Parenthese nicht überschreitet. Die Art und' Lage des zugrunde liegenden Koordinatensystems ist in Fig. 15 dargestellt. Der Wert von M ändert sich über die Formel (6) mit dem Wert von X_Q, allerdings, wenn sich X_Q von links

..3202JQ8D

nach rechts auf der austrittsseitigen Stirnseitenfläche 10a des Lichtleiters 10 bewegt, was bedeutet, daß X„ von X_n zu X„. variiert und sich der Wert der Anzahl M der Reflektieren nicht variiert, wird eine merkbare Schwankung der Beleuchtung verursacht, wobei mit X eine X-Koordinate am linken Ende ■ der austrittsseitigen Stirnseit'enf lache 10a des Lichtleiters

10 und mit X eine X-Koordinate am rechten Ende bezeichnet m

ist.

Daher ergibt sich bei günstiger Wahl der Werte für L, d, Xm, XM und O£ , daß sich bei Variation von X- der Wert von M um wenigstens eins ändert. "

Wenn die entsprechenden Werte also dementsprechend gewählt, die Formeln (4) und (5) erfüllt sind und X« in der Formel (6) variiert wird, wird sich M um wenigstens eins ändem und das Beleuchtungssystem über ein weites Sichtfeld nur kleine Schwankungen aufweisen. Allerdings, falls der stabförmige Reflektor 11 ein innen hohler Oberflächenreflektor (z.B. aus einem Metallrohr, das auf der inneren Oberfläche beschichtet ist) ist, ist der Wert von n_c = 1,0 und die Formel (5) braucht nicht erfüllt zu werden.

Die Parallaxe zwischen dem Beleuchtungssystem 3 und dem Beobachtungssystem 2 kann durch Ausnutzung des oben beschriebenen Zusammenhangs zwischen der Anzahl M der Brechungen und der Schwankungen der Beleuchtung ausgeglichen werden.

Fig. 16 bezieht sich auf ein Endoskop mit im rechten Winkel versetzter Blickaustrittsöffnung und zeigt beispielhaft ein Beleuchtungssystem, bei dem die Parallaxe durch Ver-

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wendung des erfindungsgemäßen optischen Systems ausgeschaltet wird. Wenn L, d, Xm, XM und OL entsprechend auf der Grundlage der oben beschriebenen Zusammenhänge zwischen dem stabförmigen Reflektor 11 und dem Lichtleiter 10 gewählt werden, ist es möglich, die Lichtmenge, die von der optischen Achse 11b der Einzelfaser 11 in Fig. 16 nach rechts abstrahlt, größer zu machen als die Lichtmenge, die nach Jinks abstrahlt, und es ist möglich eine gleichförmige Beleuchtung bei Ausschaltung der Parallaxe zu erzeugen.

Fig. 17 stellt eine weitere Ausführungsform eines Beleuchtungssystems dar, bei dem die Parallaxe durch Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips ausgeschaltet ist..Hierbei ist die Einzelfaser 15 in zwei Teile 15a und 15b aufgeteilt, wobei beide Teile miteinander durch einen innen hohlen Reflektor 16 verbunden sind (beispielsweise ein Metallrohr mit innenseitig beschichteter Oberfläche), der Teil 15a ist fest und der Teil 15b kann so bewegt werden, daß die Entfernung zwischen beiden Teilen der Einzelfaser 15 justiert werden kann; beispielsweise ist die Stellung in Fig. 17b gegenüber Fig. 17a verändert. Die Veränderung der Entfernung der beiden Einzelfaserteile 15a und 15b entspricht der Variation von L in der Formel (6). So wie die Anzahl M der Reflektieren variiert, wird daher hier die Richtung der Beleuchtung variiert und der Beleuchtungsbereich wird variiert von einer Beleuchtung, die geeignet ist für einen entfernten Punkt zu einer Beleuchtung in diagonaler Richtung, die geeignet ist für einen näheren

,. .... ..3202.08Ü

Punkt. Daher kann eine Beleuchtung erreicht werden, bei der die Entfernung des Objektes vom Unendlichen bis zu einem nahen Punkt geht und eine günstige. Beobachtung durch Anpassung an die'Objektentfernung möglich ist, wobei die Parallaxe ausgeschaltet wird.

Wenn der Lichtleiter 10 und die Einzelfaser 11 relativ zueinander in der Kontaktfläche der ausgangsseitigen Stirn-. Seitenfläche 10a des Lichtleiters 10 mit der eingangsseitigen S'tirnseitenflache 11a der Einzelfaser 11 innerhalb eines Beleuchtungssystems nach Fig. 6 bewegt werden, ist es auch dann möglich, die Beleuchtungseinrichtung zu verändern und das selbe Ergebnis wie anhand der Fig. 17 dargestellten Methode zu erreichen.

Im oben beschriebenen erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem, in dem eine Linse 3b mit einem'Durchmesser, der größer als der Durchmesser des Lichtleiters 3a ist, wie es Fig. 2 -darstellt, nicht benötigt wird, ist es möglich, den zu beleuchtenden Bereich zu vergrößern, ohne daß sich der Durchmesser des austrittsseitigen Endes des Beleuchtungssystems vergrößert.

Im weiteren werden numerische Werte für die in Fig. 15 dargestellte Ausführungsform aufgezeigt:

d = 2,5 mm, L = 6,25, OC= 30° n_c = 1,85, θ = 67°7',
M=I bei Xm = -0,75 und
M = 2 bei XM = 0,75.

Die obigen Ausführungen zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung beschreiben Einzelheiten auf der Grundlage

..3202O8O

einer Ausführungsform. Daher werden im folgenden weitere Ausführungsformen beschrieben.

In Fig. 18 ist eine Kombination eines bekannten und eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems dargestellt. Hiermit ist es möglich, die Beleuchtung eines großen Bereichs zu erreichen und den Lichtmangel im Bereich direkt vor dem Endoskop auszugleichen.

In Fig. 19 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der die eintrittsseitige Stirnseitenfläche 11a der Einzelfaser 11 bohrkopfartig geschliffen ist; Fig. 19a stellt die Vorderansicht des gesamten Beleuchtungssystems dar, das aus zwei Lichtleitern 10 und einer Einzelfaser besteht, Fig. 19b stellt eine Vorderansicht nur der Einzelfaser 11 dar, und Fig. 19c stellt eine Seitenansicht der Einzelfaser 11 in der in der Fig. 19b eingezeichneten Pfeilrichtung dar.

. In Fig. 20 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem bei einem Endoskop mit im rechten Winkel versetzter Blickaustrittsöffnung angewendet ist. Hierbei besitzt die Einzelfaser 17 am eintrittsseitigen Ende eine diagonal abgeschrägte Stirnfläche, wobei auf dieser Stirnfläche eine reflektierende, filmartige Beschichtung 18 vorgesehen ist. Die andere eintrittsseitige, seitliche Oberfläche der Einzelfaser 17 ist als Eintrittsfläche 17a ausgeführt und ein Lichtleiter 10 ist so angeordnet, daß die Austrittsfläche des Lichtleiters 10 der Eintrittsfläche 17a gegenüberliegt. Die seitliche Oberfläche kann auch ungeschliffen ihre zylindrische Oberflä-

320 2JO 8JO

ehe aufweisen und der reflektierende Film 18 muß, falls das Licht völlig durch den für den reflektierenden Film 18 vorgesehenen Teil reflektiert wird, in dieser Ausführung nicht notwendigerweise angebracht werden. Bei dieser Ausführungsform ist es.notwendig, daß der Steigungswinkel der reflektierenden Fläche so gewählt wird, daß die mit der optischen ■ Mittelachse des Lichtleiters 10 parallelen Lichtstrahlen, nach der Reflektion durch die reflektierende Fläche 18, nicht parallel mit der optischen Mittelachse der Einzelfaser 17 sind. Falls der Steigungswinkel so gewählt wird, daß die Lichtstrahlen, die zur optischen Mittelachse des Lichtleiters 10 parallel sind, so verlaufen, als würden sie aus der Richtung eines in Fig. 20 gestrichelt eingezeichneten Lichtleiters 10' ausgestrahlt werden, erreicht diese Anordnung dieser Ausführungsform die gleiche Wirkung wie das in Fig. 6 dargestellte Beleuchtungssystem und auch bei einem Endoskop mit im rechten Winkel versetzter Blickaustrittsöffnung wird ein weiter Bereich ausgeleuchtet sein.

In Fig. 21 ist eine weitere Ausführungsform der in Fig. 20 dargestellten Ausführung dargestellt, bei der die Eintrittsfläche 19a der Einzelfaser 19 schräg geschliffen ist.

In Fig. 22 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der zwei mit 19, 20 bezeichnete Einzelfasern Verwendung finden, die an ihren endseitigen Oberflächen abgeschrägt geschliffen sind, und mit diesen miteinander verbunden sind.

Als Beispiel für ein bekanntes Beleuchtungssystem

ist in Fig. 23 ein Beleuchtungssystem dargestellt, das im gekrümmten Teil des Lichtleiters 3a einen Lichtverlust von 20 bis 40% aufweist. Ausführungen wie sie in den Fig. 20 bis 22 dargestellt sind, weisen jedoch, da der Lichtleiter 10 nicht gekrümmt ist, keinen solchen Lichtverlust auf.

Die Anordnung einer Einzelfaser 21 mit diagonal geschliffener eintrittsseitiger Stirnseitenfläche und eines Lichtleiters 22 mit diagonal geschliffener austrittsseitiger Stirnseitenfläche ist in Fig. 24 dargestellt.

In Fig. 25 ist eine Anordnung eines in gleicher Ausrichtung mit der Einzelfaser 23 und direkt hinter dieser angeordneten Lichtleiters 10 und einer Einzelfaser 23, die eine V-förmig geschliffene eintrittsseitige Stirnseitenfläche aufweist, dargestellt. Wenn bei einer solchen Ausführungsform der Winkel zwischen der eintrittsseitigen Stirnseitenfläche der Einzelfaser 23 und der austrittsseitigen Stirnseitenfläche des Lichtleiters 10 mit tf , der Austrittswinkel des Lichtstrahles L5, der parallel zur optischen Mittelachse des Lichtleiters 10 in die Einzelfaser 23 eintritt mit φ und der Brechungsindex des Einzelfaserkerns n_ genannt wird, ist Φ durch die folgende Formel (7) gegeben;

j -ir / -1 ^sin * \ η

φ = sin L n_c sin U~ sin ( — )) J (7)

Wenn mit [3 a der größtmögliche Winkel, unter dem ein Lichtstrahl L¹5 zur optischen Mittelachse des Lichtleiters 10 in Luft austritt, der unter dem Winkel βa austretende Lichtstrahl mit L¹5 und mit Vm der Austrittswinkel des

.. 3202D8D

Lichtstrahles L'5 aus der austrittsseitigen Stirnseitenfläche der Einzelfaser 2 3 nach der Brechung durch die Austrittsfläche bezeichnet wird, kann der Austrittswinkel ΊΊη durch Anwendung der folgenden Formel (8) erhalten werden: Φ* = sin -¹ Ci sin ( If - sin ^¹ (^LJid^L) )1 . . ., ₍₈)

"^c .

Unter der Bedingung, daß der Blickwinkel des Endoskops 2 O und das gesamte Sichtfeld ausgeleuchtet sein soll, muß der Austrittswinkel φΐη größer bzw. gleich tv> sein; Da es möglich sein könnte, daß das Licht von der Einzelfaser vollkommen reflektiert wird, muß die durch die Formel (5) gegebene Bedingung erfüllt werden. Damit ist, wenn bei einer Ausführungsform nach Fig. 25 60° der Wert für den Winkel X und 1,8 der Wert für den Brechungsindex η ist, der Winkel φ -in diesem Fall 69° und es ist, sogar bei einem Endoskop mit einem Sichtfeld von über 140° eine Beleuchtung möglich.

In Fig. 26 ist eine weitere Ausführungsform der in Fig. 25 dargestellten Ausführung dargestellt, bei der die eintrittsseitige Stirnseitenfläche der Einzelfaser 24 zu einer Pyramide mit vier seitlichen Kanten geschliffen ist. Diese Ausführung ist in ihrer Arbeitsweise und dem erzielbaren Ergebnis im'wesentlichen gleich mit der in der Fig. 25 dargestellten Ausführung, aber sie hat den Vorteil, daß die Stirnseitenfläche leichter zu schleifen ist. Die Gestalt der Stirnseitenfläche kann konisch oder konisch, ungekrümmt sein und der V-förmige Teil hat nicht notwendigerweise eine glatte Oberfläche,.sondern kann eine säulenförmig gekrümmte Oberfläche aufweisen. In (Fig. 25 und 26)

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diesen Ausführungen ist keine Notwendigkeit, daß der eine und der andere Anteil der Strahlen, die aus dem Lichtleiter 10 austreten, innerhalb des stabförmigen Reflektors 23 oder 24 eine unterschiedliche Anzahl an Reflektionen aufweisen. Dies gilt deshalb, weil ein Lichtbündel, das in

den stabförmigen Reflektor 23 oder 24 eintritt, beim Austritt aus dem stabförmigen Reflektor, während es sich symmetrisch ausdehnt, gleichmäßig nach rechts und links verteilt wird. Fig. 27 bis 30 stellen weitere Ausführungsformen jeweils einer der in Fig. 25 oder 26 dargestellten Ausführungen dar, Fig. 27 stellt dabei eine Ausführungsform dar, bei der die V-förmig geschliffene Eintrittsstirnseitenfläche der Einzelfaser 24 asymmetrisch gestaltet ist, d.h., daß die Fläche 24a beispielsweise kürzer als die Fläche 24b'ist, so daß eine größere Menge Licht auf die eine der beiden Seiten verteilt wird.

Die Fig. 28 und 29 stellen weitere Ausführungsformen des stabförmigen Reflektors dar, bei denen in der Mitte der stabförmigen Reflektoren 25 und 26 an der eintrittsseitigen Stirnseite Flächen 25a, 26a vorgesehen sind, die zur optischen Mittelachse des stabförmigen Reflektors 25,26 und des Lichtleiters 10 einen rechten Winkel bilden, damit das Licht sie unreflektiert und ungebrochen passiert und der Lichtverlust in der Mitte ausgeschaltet wird. Auch wenn diese Flächen 25a, 26a und der V-förmige Teil als gekrümmte Flächen gestaltet sind, wie es durch die gestrichelten Linien in Fig. 28 beispielhaft angedeutet ist, wird derselbe Effekt erzielt.

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Bei der in Fig. 30 dargestellten weiteren Ausführungsform sind die eintrittsseitige Stirnseitenfläche 28a und die austrittsseitige Stirnseitenfläche 28b der Einzelfaser 28 zueinander parallel und senkrecht zur optischen Mittelachse der Einzelfaser .und die eintrittsseitige Stirnseitenfläche 27a des Lichtleiters 27 ist V-förmig. Bei einer Gestaltung der austrittsseitigen Stirnseitenfläche 27a des Lichtleiters 27 mit einer beliebigen Form können die gleiche Arbeitsweise und die gleichen Ergebnisse wie bei den in den Fig. bis.29 dargestellten Ausführungsformen festgestellt werden. In der in Fig. 31 dargestellten Ausführungsform sind die eintrittsseitige Stirnseitenfläche 11a und die austrittsseitige Stirnseitenfläche lic senkrecht zur optischen Mit*- telachse des stabförmigen Reflektors 11»und der Lichtleiter 10 ist so angeordnet, daß seine optische Mittelachse diagonal zur optischen Mittelachse 11b des stabförmigen Reflektors 11 liegt. Bei dieser Ausführungsform tritt das Licht mit einem Winkel A zur optischen Mittelachse 11b des stabförmigen Reflektors 11 in den Reflektor 11 ein und tritt unter dem gleichen Winkel A wieder aus dem stabförmigen Reflektor 11 aus. Auch wenn eine einzelne. Faser od.dgl. für den stabförmigen Reflektor 11 verwendet wird, wird keine Behinderung der Lichtausbreitung durch eine völlige Reflektion beim Austritt zum Beobachtungsgegenstand hin auftreten. Mit einem Beleuchtungssystem, wie es in Fig. 6.dargestellt ist, wird beispielsweise (Fig. 35) bei einem großen Eintrittswinkel zur optischen Mittelachse der Einzelfaser das Licht vollkommen durch die austrittsseitige Stirnseitenfläche re-

flektiert.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 31, wird außer den Lichtstrahlen, die aus dem Lichtleiter 10 parallel zur optischen Mittelachse des Lichtleiters 10 austreten und innerhalb der Meridionalebene des stabförmigen Reflektors 11 verlaufen, ein Lichtstrahl, beispielsweise L6, einige Male auf der seitlichen Oberfläche des stabförmigen Reflektors 11 gebrochen und tritt dann nach rechts aus dem stabförmigen Reflektor aus und andererseits ist ein Lichtstrahl, beispielsweise L7, einer anderen Anzahl von Reflektionen unterworfen und tritt anschließend nach links aus dem stabförmigen Reflektor 11 aus, wodurch die Lichtverteilung gleichmäßig ist. Die anderen, lichtleiterparallelen Lichtstrahlen werden durch die Reflektionen im stabförmigen Reflektor 11 gleichförmig verteilt. Je länger der stabförmige Reflektor 11 ist, je symmetrischer ist in bezug auf die optische Mittelachse des stabförmigen Reflektors die Lichtverteilung durch das Beleuchturigs system.

In den Fig. 32 bis 34 sind weitere Ausführungsformen der Ausführung gemäß Fig. 31 dargestellt. Fig. 32 stellt eine reihenförmige Anordnung von Lichtleitern 10 dar, Fig. 33 eine Anordnung mehrerer Lichtleiter 10 mit verschiedenen Ausrichtungen. Fig. 34 stellt eine Anordnung dar, bei der das aus den Lichtleitern 10 austretende Licht durch Prismen 29 in zur optischen Mittelachse des stabförmigen Reflektors 11 schräge Verlaufrichtungen umgelenkt wird. Mit den in den Fig. 32 bis 34 dargestellten Ausführungsformen werden im wesentlichen die gleichen Arbeitsweisen und

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erzielbaren·Ergebnisse erreicht wie bei der Ausführung gemäß Fig. 31. Jedoch können mit den Ausführungen gemäß Fig. 32 bis 34 bei gleichem Durchmesser der Einzelfaser die Lichtstrahlen von mehr Lichtleitern als in der Ausführung gemäß Fig. 31 übertragen werden. Außerdem wird in den Ausführungen gemäß Fig. 33 und 34 erreicht, daß die Lichtstrahlen von einer. Vielzahl von Lichtleitern in entsprechend verschiedenen Ausrichtungen in die Einzelfaser eintreten. Daher sind diese noch effektiver im Hinblick darauf, daß die Lichtverteilung gleichmäßiger gestaltet werden kann, als in einer ■ Ausführung gemäß Fig. 31.

Falls eine Einzelfaser als stabförmiger Reflektor in einer der obigen Ausführungsformen verwendet wird, könnte dieser auch in einer Glaskappe bestehen. Falls eine gewöhnliehe Glasplatte als Glaskappe verwendet wird, um den Verlust von Licht zu verhindern, wird es, auch wenn eine grosse Glaskappe, wie in Fig. 36 dargestellt, verwendet wird, nicht möglich sein, den Blickwinkel groß und die Lichtverteilung gleichförmig zu gestalten.
Die Ausführungsformen gemäß der Fig. 31 bis 34 sind im folgenden noch weiter erläutert. Wenn (Fig. 34) der Winkel zwischen der optischen Mittelachse des Lichtleiters 10 und der optischen Mittelachse des stabförmigen Reflektors 11 mit C und der Winkel zwischen dem Lichtstrahl, der den größten Austrittswinkel zwischen den austretenden Lichtstrahlen mit der optischen Mittelachse des Reflektors bildet, und der optischen Mittelachse des Reflektors mit 0m bezeichnet wird, gilt folgende Formel (9):

= C +^a (9)

C £co-ßa (10)

In den üblichen Anwendungsfällen für Endoskope in der Praxis ergibt sich für β^a der Wert 35° und 63 ist größer als 50°, und daher ist C meist größer als 15°. Falls bei Ausführungsformen gemäß Fig. 31 bis 34 der Winkel C größer ist als ßa , wird das Licht nicht bis in das Umfeld des Zentrums des Sichtfeldes reichen und die Lichtverteilung wird der grafischen Darstellung gemäß Fig. 38 entsprechen. In diesem Fall sollte, wie voranstehend erwähnt, der Lichtleiter 10 mit einem weiteren Lichtleiter kombiniert werden, der das Umfeld des zentralen Bereiches beleuchtet. In Fig.

38 ist beispielsweise eine solche Anordnung mit einem Lichtleiter 30, dessen austrittsseitige Stirnseitenfläche 30a konkav gekrümmt ist und der achsenparallel zur optischen Achse der Einzelfaser 11 angeordnet ist, dargestellt. Die Lichtverteilung, die mit einer solchen beispielhaften An-Ordnung erreicht wird, ist grafisch in Fig. 40 dargestellt und es ist eine deutliche Verbesserung gegenüber der in Fig. 38 dargestellten Lichtverteilung bemerkbar.

In Fig. 41 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der ein spiralartig verdrillter Lichtleiter 10 vor der eintrittsseitigen Stirnseitenfläche einer Einzelfaser 11 angeordnet ist. Wenn bei dieser Ausführungsform die optischen Achsen der den Lichtleiter 10 bildenden Fasern mit den optischen Achsen der Lichtleiter in den anderen

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Ausführungsformen übereinstimmt, kann die Arbeitsweise und das erzielbare Ergebnis jeweils als gleichartig zum bereits Beschriebenen angesehen werden. Außerdem ist bei einer solchen Ausführung, bei der die jeweiligen austrittsseitigen Stirnseitenflächen, der spiralartig verdrillten Fasern jeweils einen anderen schrägen Winkel zur optischen Mittelachse der Einzelfaser 11 bilden, die Lichtverteilung noch gleichmäßiger. Wenn die dünnen Fasern also in einer geeigneten Weise gebündelt werden, ist das zusätzliche Beleuchtungssystem für das Umfeld des Zentralbereiches nicht unbedingt erforderlich.

Claims

OLYMPUS OPTICAL Co., Ltd.,
Tokyo-to, Japan

Titel

Beleuchtungssystem für Endoskope

Patentansprüche

10

/L J Beleuchtungssystem für Endoskope, das eine Lichtleiteinrichtung (10,22) aufweist, die aus einem Licht übertragenden Faserbündel besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungssystem eine stabförmige Reflektionseinrichtung (11 bis 13,15,17,19 bis 21,23 bis 26, 28) aufweist, die vor der Lichtleiteinrichtung (10,22) angeordnet ist, und daß die Lichtleichteinrichtuhg (10,22) und die stabförmige Reflektionseinrichtung (11 bis 13, 15,17,19 bis 21, 23 bis 26,28) so angeordnet sind, daß mindestens eine der optischen Achsen der Lichtleiteinrichtung (10,22) und der stabförmigen Reflektionseinrichtung (11 bis 13,15,17,19 bis 21,23 bis 26,28) zumindest entweder die ausgangsseiti-

ge Stirnseitenfläche (lic) der Lichtleiteinrichtung (10, 22) oder die eingangsseitige Stirnseitenfläche (lla) der stabförmigen Reflektionseihrichtung (11 bis 13,15,17,19 bis 21,23 bis 26,28) nicht im rechten Winkel schneidet.
2. Beleuchtungssystem für Endoskope nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmige Reflektionseinrichtung (11 bis 13,15,17,19 bis 21,23 bis 2.6,28) eine eingangsseitige Stirnseitenfläche (Ha) aufweist, die eine entweder glatte oder gekrümmte Oberfläche besitzt, die ihre optische Achse diagonal schneidet.
3. Beleuchtungssystem für Endoskope nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmige Reflektionseinrichtung (11 bis 13,15,17,19 bis 21,23 bis 26.,28) eine reflektierende Fläche (18) einschließt, die ihre optische Achse diagonal schneidet.
4. Beleuchtungssystem für Endoskope nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmige Reflektions-

• einrichtung (11 bis 13,15,17,19 bis 21,23 bis 26,28) zwei endseitige Stirnseitenflächen (28a,28b) aufweist, die beide zu ihrer optischen Achse einen rechten Winkel bilden.
5. Beleuchtungssystem für Endoskope nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmige Reflektionseinrichtung (11 bis 13,15,17,19 bis 21,23 bis 26,28) aus einer einzigen Faser (11,12,13) besteht.

3.2 0.2 O 8 O
6. Beleuchtungssystem für Endoskope nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiteinrichtung (10,22) aus einer Anzahl von Licht führenden Elementen besteht.
7. Beleuchtungssystem für Endoskope nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der stabförmigen Reflektionseinrichtung (11 bis 13,15,17,19 bis 21,23 bis 26,28) die Entfernung zwischen eintrittsseitiger Stirnseitenfläche (lla) und austrittsseitiger Stirnseitenfläche (lic) variabel einstellbar ist.
8. Beleuchtungssystem für Endoskope nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungssystem ein weiteres Beleuchtungssystem (3) aufweist, das eine Lichtleiteinrichtung (3a) und ein Linsensystem (3b), das vor der Lichtleiteinrichtung (3a) angeordnet ist, einschließt.