DE3028597A1 - Optisches beleuchtungssystem fuer ein endoskop - Google Patents

Description

PATENTANWALT Dipl.-Phys. RICHARD³L(JYKi=N

Olympus Optical Co. Limited oot 7761

_ . y, . 28. Juli 198o

Tokyo/Japan

L/Kdg

Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Weitwinkelbeleuchtungssystem für ein Endoskop, das eine Ausnutzung des Beleuchtungslichtes ohne Verlust ermöglichen soll.

Zur Erläuterung des Wesens der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 den Aufbau eines optischen Beleuchtungssystems für

übliche Weitwinkelendoskope_f Fig. 2 die Verteilungskurve der Lichtintensität bei diesem

optischen System,
Fig. 3 ein optisches Beleuchtungssystem vom Projektionstyp,

Fig. 4 die Verteilungskurve der Lichtintensität des optischen Systems von Fig. 3,

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COPY

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Beleuchtungslichtes auf der Gegenstandsfläche im Falle der Verwendung eines

optischen Systems nach Fig. 3,
Fig. 6 eine Struktur des optischen Systems in dem Falle, wenn die Endfläche des Lichtleiters im optischen System von

Fig. 3 in einer abweichenden Stellung ist, Fig. 7 schematisch ein optisches System, bei dem das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip verwirklicht ist,

Fig. 8

verschiedene AusfUhrungsformen erfindungsgemäßer Systeme, bis 1o

Fig.11

schematisch den Aufbau von optischen Systemen nach der Erfindung

bis 14

für die einzelne Daten angegeben sind,

Fig.15 das Verhältnis zwischen der Stellung des zu beleuchtenden Objekts und der Feldblende und anderen Teilen des Systems,

Fig.16 die Verhältnisse bei Strahlung, die eine Monofaser durchläuft, deren Stirnfläche gekrümmt ist,

Fig.17 die Verhältnisse für die Strahlung, die durch eine selbstfokussierende Faser verläuft.

Seit Endoskope neuerdings mit Weitwinkelbetrachtungssystemen ausgerüstet werden, ist es notwendig geworden, daß das Beleuchtungssystem auch für größere Bildfeldwinkel ausgelegt wird. In Fig. 1 ist beispielsweise ein bekanntes Weitwinkelbeleuchtungssystem dargestellt, das aus dieser Notwendigkeit heraus entwickelt worden ist. Dabei ist ein positives Linsensystem 2 vor einem Lichtleiter

-3-

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COPY

angeordnet, der ein optisches Faserbündel enthält. Bei dieser Anordnung wird das Beleuchtungslicht, das von dem Lichtleiter kommt, zunächst konvergent gemacht und dann durch das positive

Linsensystem 2 zerstreut und unter Verwendung dieses zerstreuten Lichtes ist es möglich, eine Weitwinkelbeleuchtung zu erhalten. Die Beleuchtung durch dieses Beleuchtungssystem hat jedoch einen Nachteil, der darin besteht, daß dem Randbereich des Gesichtsfeldes Licht mangelt. Der Grund dafür liegt darin, daß bei einem solchen Beleuchtungssystem die Verteilungskurve der Lichtintensität den in Fig. 2 gezeigten Verlauf hat und in dem Maße, wie der Beleuchtungswinkel größer wird, wird die Lichtintensität kleiner und erreicht schließlich Null. Daher ist das wirksame Beleuchtungsfeld bei einem solchen Beleuchtungssystem viel kleiner als der Bereich, den das Beleuchtungslicht erreicht. Der Bereich, dem Beleuchtungslicht mangelt, ist fast in demselben Zustand wie in dem Fall, bei dem kein Beleuchtungslicht vorhanden ist und selbst wenn daher tatsächlich Beleuchtungslicht dorthin gelangt ist und dort vorhanden ist, ist es in Wirklichkeit verschwendet. Als ein Verfahren, diesen Nachteil zu vermeiden, steht eine Beleuchtungsmethode zur Verfügung, bei der eine Endfläche des Lichtleiters projiziert wird ( nachstehend als "Projektionstyp" bezeichnet ). Nach diesem Verfahren wird ein Bild der Austrittsfläche 1a des Lichtleiters auf der Gegenstandsoberfläche 4 mittels der Linse 3 erzeugt, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Bei diesem Beispiel ist die Linse 3 so gewählt, daß die Größe des Bildes der Austritts-

-4-

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fläche des Lichtleiters dem des Betrachtungsgesichtsfeldes entspricht, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß eine Parallaxe beseitigt wird (bekanntlich existiert eine Parallaxe, da ein Bildleiter und ein Lichtleiter nebeneinander in einem Endoskop angeordnet sind) und auf diese Weise wird das Betrachtungsfeld vollständig beleuchtet, wobei das Beleuchtungslicht keine Bereiche erreicht, außer denen des Betrachtungsfeldes, wodurch keine Lichtverschwendung auftritt. Weiterhin wird, da die Austrittsendfläche des Lichtleiters projiziert wird, die in Fig. 4 gezeigte Lichtintensitätsverteilung erreicht, bei der eine bestimmte Lichtintensität auch beim größten Blickfeldwinkel gegeben ist. Daher ist eine Betrachtung über den gesamten Bereich, den die Beleuchtung erfaßt, möglich, und so fallen Beleuchtungsfeld und Gesichtsfeld zusammen. Weiterhin ist die Tatsache, daß Beleuchtungslicht keine anderen Bereiche als das Betrachtungsfeld erreicht, nicht nur vom Gesichtspunkt der Vermeidung von Verschwendung von Beleuchtungslicht wesentlich, sondern auch zur Vermeidung eines Auftretens von Reflexionslicht außerhalb des Gesichtsfeldes, das Geisterbilder erzeugen kann, wenn es in das Betrachtungssystem gelangt und dabei die Deutlichkeit der Betrachtung stört. Es sind jedoch auch dieser Methode einige Nachteile eigen, wie noch näher erläutert wird. Die Austrittsfläche des Faserbündels als Ganzes leuchtet nämlich nicht gleichmäßig, sondern nur in den Kernabschnitten der einzelnen Faser. Da die Endfläche der Faser in ihrem tatsäch lichen Zustand auf die Objektoberfläche projiziert wird, ist

-5-

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f/V

die Objektoberfläche so beleuchtet, daß nur die Kernabschnitte entsprechend dem in Fig. 5 gezeigten Muster erhellt sind, d.h. die Objektfläche ist beleuchtet, als wäre sie mit einem Netz bedeckt und dies macht es außerordentlich schwierig, eine richtige Betrachtung des Objekts zu ermöglichen. In der Praxis wird das Netzmuster in bestimmtem Umfang durch Linsenaberrationen und andere Faktoren verzerrt, aber dies reicht nicht aus für eine einwandfreie Betrachtung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop anzugeben, das die Beleuchtungsverhältnisse zu verbessern gestattet.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale.

Erfindungsmäß wird danach ein zylindrisches Reflexionsglied zwischen einem Lichtleiter und einem Linsensystem angeordnet, wodurch die Lichtverteilungskurve und effektivere Ausnutzung des Beleuchtungslichtes verbessert werden und bei dem die Abbildung eines Bildes der Lichtleiterendfläche auf der Gegenstandsoberfläche vermieden wird, wodurch eine gleichförmige Beleuchtung ttber die Objektfläche erreicht werden kann.

Um eine gleichmäßige Beleuchtung zu erhalten, was eines der Ziele der vorliegenden Erfindung ist, kann das Bild der Licht-

030066/0835 -6-

leiterendflache verschwommen gemacht werden, so daß kein Netzmuster auf der Gegenstandsoberfläche bei einem Beleuchtungsverfahren nach dem zuvor erwähnten Projektionstyp auftritt. Wenn jedoch das Bild verschwommen ist, tendiert die Verteilungskurve der Lichtintensität mehr zu der in Fig. 2 gezeigten Verteilungskurve und daher tritt ein Verlust an Beleuchtungslicht auf mit der Folge, daß einem Randbereich des Gesichtsfeldes Licht fehlt. Um das Bild zum Verschwimmen zu bringen, kann der Lichtleiter 1 von der in Fig. 3 gezeigten Stellung in die von Fig. 6 bewegt werden, aber in diesem Fall wird ein Auswärtsstrahl 1' nach außen geleitet und kann nicht als Beleuchtungslicht wirksam werden. Weiterhin werden Strahlen, wie die Strahlen l",von einem Randbereich 3a der Linse abgeschnitten. Bin Mittel, mit dem diese Nachteile vermieden werden könnten, bestände darin, den Linsendurchmesser größer zu machen, aber eine solche Maßnahme ist bei einem Beleuchtungssystem für ein Endoskop, das ein schlankes System erfordert, ungeeignet. Wenn auf diese Weise versucht wird, das Netzmuster durch Verschwimmenlassen eines Bildes zu beseitigen, ergibt sich, daß, je größer der Grad des Verschwimmenlassens ist, desto geringer die Vor teile des Beleuchtungssystems vom Projektionstyp sind.

Ein erfindungsgemäß ausgebildetes optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop ist, wie in Fig. 7 gezeigt, so aufgebaut, daß die Endfläche 1a eines Lichtleiters 1 an einer Stellung liegt, die von der mit Bezug auf das Linsensystem 3 konjugierten

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Stellung abliegt, wobei ein zylindrisches Reflexionsglied 6, dessen innere Oberfläche eine Reflexionsfläche ist und das im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der Lichtleiter besitzt, zwischen dem Linsensystem und der Endfläche des Lichtleiters angeordnet ist. Da so die Endfläche des Lichtleiters aus der Stellung verlegt ist, die zur Objektoberfläche konjugiert ist, wird das Beleuchtungslicht auf der Objektoberfläche gleichmäßig» da6das Bild der Endfläche des Lichtleiters Licht erzeugt

wird

und das Netzmuster zum Verschwimmen gebracht und verschwindet. Weiterhin werden solche Strahlen, wie die Strahlen I¹ und 1" in Fig. 4, die von dem Linsensystem foiigelenkt werden, als Folge der Verlagerung der Endfläche des Lichtleiters aus der konjugierten Fläche an der Reflexionsfläche des zylindrischen Reflexionsgliedes 6 reflektiert, so daß sie als Beleuchtungslicht dienen können. Daher ist es auch möglich, einen Lichtverlust zu vermeiden. Weiterhin wird, da die Innenfläche oder die Peripherie des zylindrischen Reflexionsgliedes als Feldblende dient, die Lichtverteilungskurve verbessert, so daß sie nicht der in Fig. 2, sondern eher der in Fig. 4 entspricht.

Weitere Einzelheiten über die Lichtintensitätsverteilungskurve werden nachstehend noch erläutert.

Ein Beleuchtungssystem, bei dem ein zylindrisches Reflexionsglied 6 zwischen dem Lichtleiter 1 und dem Linsensystem 3 entsprechend Fig. 15 angeordnet ist, besitzt eine Lichtintensitätsverteilungskurve für das Beleuchtungslicht entsprechend Fig. 4,

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wenn die Endfläche des zylindrischen Reflexionsgliedes 6 an der Seite des Linsensystems 3 und die Objektfläche in bezug auf das Linsensystem 3 konjugiert sind. Wenn jedoch die konjugierte Stellung von der Objektoberfläche abweicht, wird die Lichtintensitätsverteilung gegenüber der von Fig. 4 gering verschlechtert. Wie sich aus Fig. 15 ergibt, wird , wenn die Gegenstandsoberfläche 4 und die Endfläche 6a des zylindrischen Reflexionsspiegels 6 in bezug auf das Linsensystem 3 konjugiert sind, alle Strahlung von dem zylindrischen Reflexionsspiegel 6 welche in dem Raumwinkel Il enthalten ist, auf die Außenperipherie 4a des Beleuchtungsfeldes auf der Objektoberfläche 4 gerichtet. Daher hat das Beleuchtungslicht eine bestimmte Intensität selbst an der Außenperipherie des Beleuchtungsfeldes. Wenn beispielsweise die Objektoberfläche näher zum Beleuchtungssystem verlagert und bei 4' angeordnet? wird, wird die Stellung, die zur Gegenstandsstellung 4' im Beleuchtungssystem konjugiert ist, d.h. die Stellung der Feldblende zum Lichtleiter 1 hin verlagert, und liegt dann an der durch Strich-Punktlirr angedeuteten Stelle in Fig. 15. Gleichzeitig wächst der Durchmesser Feldblende zum Kreuzungspunkt des niedrigstgelegenen Strahles 1"" von der Außenperipherie des zylindrischen Reflexionsgliedes 6 und der Feldblende 5. Hierbei würde nur die Strahlung den äußeren Umfangsbereich 4a des Beleuchtungsfeldes erreichen, die von den unterstgelegenen Strahlen stammt. Daher fehlt dem Beleuchtungsfeld Licht an dem äußeren Randabschnitt und das Beleuchtungsfeld wird heller der Mitte zu. Aus diesem Grunde wird der Verlauf der Verteilungskurve für die Lichtintensität gegenüber dem von Fig. 4 verschlechtert.

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Da jedoch die Brennweite außerordentlich kurz in einem Weitwinkelbeleuchtungssystem für ein Endoskop ist, was bei der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, ist die Veränderung in der Stellung der Feldblende außerordentlich gering, selbst wenn sich die Objektstellung ändert. Daher wird die Verteilungskurve der Lichtintensität nur in einem geringen Maße verschlechtert und entspricht nahezu der in Fig. 4 gezeigten.

Bei einem optischen Beleuchtungssystem nach der Erfindung kann die Größe der Abweichung der Endfläche des Lichtleiters von der konjugierten Fläche klein sein, wenn die Entfernungen zum Objekt im wesentlichen konstant sind. Wenn jedoch das Objekt weite und nahe Punkte enthält, muß das Ausmaß der Abweichung größer sein. Wenn das Ausmaß der Abweichung zu klein ist, wird das Bild der Endfläche des Lichtleiters in einer Zwischenstellung zwischen dem Weitpunkt und dem Nahepunkt gebildet. Wenn daher die Entfernung zum Objekt mit der Bildstellung zusammenfällt, wird das Netzmuster des Bildes der Endfläche zusammen mit dem Objekt betrachtet und dies stört die richtige Betrachtung des Objekts. Aus diesem Grunde ist es notwendig, daß das Bild der Endfläche außerhalb des Bereiches der Entfernungen erzeugt wird, innerhalb der die Beobachtung möglich ist.

-I0-

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-yf-

Wie zuvor dargelegt, kann das erfindungsgemäße optische Beleuchtungssystem unter Aufrechterhaltung der Vorteile des Projektionstypsystems, nämlich der Vorteile der guten Lichtintensitätsverteilungskurve und des vermiedenen Lichtverlustes den Nachteil des Auftretens einer netzförmigen Beleuchtung eliminieren und statt dessen es ermöglichen, daß eine gleichförmige Beleuchtung erzielt wird.

Im folgenden soll auf die Länge des zylindrischen Reflexionsgliedes, das bei dem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem verwendet wird, eingegangen werden. Um das Auftreten des Netzmusters der Endfläche des Lichtleiters zu verhindern, das sich ergibt, wenn das Licht von den Kernen der Fasern, die den Lichtleiter bilden, sich bei Entfernung von der Endfläche des Lichtleiters ausbreitet, ist es wünschenswert, die Anordnung so zu treffen, daß eine Stellung, an der der Durchmesser C des verbreiterten Lichtbündels mehr als den doppelten Durchmesser der Faser beträgt, ( einschließlich einer Umhüllung ) sich an der Stelle einer Feldblende befindet. Wenn man hierbei annimmt, daß die numerische Apertur des Lichtes von der Lichtleiterendfläche NA¹ ist und die räumliche Umwandlungsentfernung zwischen der Lichtleiterendfläche und der Feldblende a ist, ist es nötig, daß die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

C - 2NA¹ . a
C * 2 0

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Daraus folgt

^a * NA^1-

0 Daher ist es notwendig, daß a größer ist als ^r ist, denn

wenn a kleiner als ^r ist, erscheint ein Netzmuster des Lichtleiters auf dem Objekt. Wenn man nun annimmt, daß der Brechungsindex des inneren Teils des zylindrischen Gliedes η beträgt, ergibt sich für die Länge L des zylinderischen Gliedes folgendes

L = a . η £ J?

Wenn ein Objekt in unendlicher Entfernung beleuchtet wird, ist eine konjugierte Stellung im Verhältnis zum Objekt der hintere Brennpunkt des Linsensystems. Demgemäß ist es notwendig, daß die Austrittsendfläche des Lichtleiters an einer Stelle, die vom hinteren Brennpunkt des Linsensystems um mindestens

entfernt ist,

die Entfernung L/angeordnet ist, da das Objekt in näherer Entfernung als im Unendlichen liegt. Es ist nicht notwendig, daß der ganze Luftabstand zwischen dem Linsensystem und dem Lichtleiter durch das zylindrische Reflexionsglied umfaßt ist, es ist aber notwendig, daß das zylindrische Reflexionsglied, das dazwischen angeordnet ist, zumindestens die Länge L besitzt. Wenn also das Beleuchtungssystem nach der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem Objektiv verwendet wird, das ebenfalls ein

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nahegelegenes Objekt zu betrachten gestattet, ist es zweckmäßig/ daß die Endfläche des Lichtleiters um mindestens die Entfernung L von der konjugierten Fläche im Verhältnis zur nächsten Objektoberfläche, die durch das Objektiv betrachtet werden kann, nach rückwärts verlegt ist. Es sei darauf hingewiesen, daß ein Luftabstand gut zwischen dem zylindrischen Reflexionsglied und der Endfläche des Lichtleiters vorgesehen werden kann. Wenn jedoch ein Luftabstand vorgesehen ist, ist es notwendig, den Durchmesser des zylindrischen Reflexionsgliedes zu erhöhen, so daß kein Lichtverlust daraus resultiert. Andererseits ist es eine unerwünschte Folge, wenn der Durchmesser des zylindrischen Reflexionsgliedes größer als der der Linse ist, da dann das distale Ende des Endoskops groß wird und aus diesem Grunde sollte der Luftabstand innerhalb eines Durchmesserbereiches für das zylindrische Reflexionsglied bestimmt werden, der keinen Lichtaustritt ermöglicht. Daher kann sich, wenn der Durchmesser des zylindrischen Reflexionsgliedes variiert, die Größe der Feldblende ändern. Das Ausmaß des Beleuchtungsfeldes ist jedoch im Verhältnis zum Ausmaß des Gesichtsfeldes bestimmt und kann wahlweise eingestellt werden aufgrund der Kombination der Vergrößerung des Objektivs und des Durchmessers des zylindrischen Gliedes. Daher besteht keine Notwendigkeit für irgendwelche Beschränkungen in der Wahl des Durchmessers des zylindrischen Gliedes, abgesehen von den Notwendigkeiten der praktischen Anwendung. Weiterhin besteht kein Problem bezüglich der Anordnung des vordersten Endes des zylindrischen Gliedes vor dem hinteren Brennpunkt des Objektivs.

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Die Gründe hierfür werden nachstehend noch näher erläutert. Die Linse für die Beleuchtung liefert überhaupt keine Korrektur von Aberrationen. Wenn daher die Strahlen die Beleuchtungslinse von der Beleuchtungsfeldseite erreichen und rückverfolgt werden, neigt sich die Bildfläche der Strahlen am Randabschnitt in großem Maße zur Linsenseite. Wenn daher in der Praxis die Stellung der Lichtquelle bezüglich des Randbereiches von der hinteren

vor
Brennebene der Linse zur Linse -gebracht wird, kann die Strahlung auf der Objektoberfläche,die beleuchtet werden soll, besser gesammelt werden. Weiterhin wird, wenn die konjugierte Stellung hinsichtlich der Außenperipherie des Beleuchtungsfeldes der

näher
GegenstandsoberflächeVfeur Außenseite der am meisten rückwärts gelegenen Oberfläche der Linse 3 kommt ( in dem Linsensystem )^.> infolge von Bildf eldkrümmung (ist es^>nicht möglich, die Endfläche des zylindrischen Reflexionsgliedes an dieser Stellung anzuordnen. In einem solchen Fall wird die beste Lichtintensitätsverteilungskurve erreicht, wenn die Endfläche des zylindrischen Reflexionsgliedes in festem Kontakt mit der Linse 3 steht. Weiterhin kann die gleiche vorteilhafte Lichtintensitätsverteilungskurve, wie in Fig. 4 gezeigt,erreicht werden, wenn das zylindrische Reflexionsglied zumindestens ein Teil des Linsensystems 3 umfaßt.

Im folgenden werden vorteilhafte Ausführungsformen erfindungsgemäßer optischer Beleuchtungssysteme beschrieben.

-14-

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Fig. 8 zeigt eine Anordnung, die im wesentlichen der von Fig. entspricht, die das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip veranschaulicht. Wie in Fig. 8 gezeigt, ist eine Monofaser 7 ( eine große Faser, enthaltend einen Kern 7a und eine Umhüllung 7b)zwischen einer Linse 3 und einem Lichtleiter 1 als ein zylindrisches Reflexionsglied angeordnet und die Monofaser 7 ist mit der Endfläche des Lichtleiters 1 verbunden. Das zylindrische Reflexionsglied kann sich als ein Zylinder vorgestellt werden, dessen innere Oberfläche eine Spiegelfläche ist oder es kann eine Glasstange verwendet werden, deren äußere Oberfläche beschichtet ist. Im Vergleich zueinander wird die Ausführungsform, bei der eine Monofaser verwendet wird, als vorteilhafter angesehen, da eine solche Monofaser einen höheren Reflexionsfaktor besitzt.

Wie sich aus Fig. 9 ergibt, kann eine Monofaser 8 zwischen der Linse 3 und dem Lichtleiter 1 vorgesehen sein, deren eines Ende eine geschliffene sphärische Oberfläche 8a besitzt, während das andere Ende mit der Endfläche des Lichtleiters 1 verbunden ist. Die Anordnung nach diesem Ausführungsbeispiel ist so, daß die sphärische Oberfläche 8a der Monofaser 8 eine Brechkraft besitzt, die einer Linse von einfachem Aufbau entspricht. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht daher nicht nur eine Vereinfachung des Linsensystems, sondern vermeidet auch die Notwendigkeit,eine Metall zu verwenden und macht das Endoskop schlank.

-15-

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-yr-

Fig. 1o zeigt eine Modifikation der Ausführungsform von Fig. 9, bei der die Linse 3 von Fig. 9 durch eine Linse 9 ersetzt ist, die gleichfalls als geschliffene Monofaser ausgebildet ist. Entsprechend dieser Ausführungsform wird das Beleuchtungslicht noch wirkungsvoller ausgenutzt, da daß Licht L"',welches die äußere Oberfläche 9a der Linse 9 erreicht, reflektiert wird, ohne absorbiert zu werden.

In dem Fall, wenn das zylindrische Reflexionsglied aus einer Monofaser oder einem Glasstab besteht, dessen Endfläche gekrümmt ist, wie dies in Fig. 9 und 1o gezeigt ist, tritt ein Verlust von Licht aus dem Reflexionsglied ein, wenn der Neigungswinkel des Lichtes,der das Reflexionsglied durchläuft, groß ist. Das heißt, wie anhand von Fig. 16 erläutert, die Strahlen, die den Kern B durchlaufen, durchdringen die Umhüllung, wenn der Neigungswinkel größer ist als ot- nach folgender Formel

1 ⁿ1

9o° - sin"¹ —
η

worin η den Brechungsindex des Kerns B und n¹ den Brechungsindex der Umhüllung bezeichnet. Es sei erwähnt, daß die Verwendung einer Umhüllung nicht notwendig ist und in diesem Falle ist n'=1,o in die Formel einzusetzen.

Weiterhin ist der Neigungswinkel des den Kern des zylindrischen Reflexionsgliedes durchlaufenden Lichtes kleiner als der Wert οό τ der sich aus der Formel ergibt. Wenn die Strahlung

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3Π2859?

mit dem Neigungswinkel ^V ^ zur Luft austreten ,kann von der Grenzfläche A zwischen dem Kern und der Umhüllung, ist es notwendig, daß diese Strahlen den Kern ohne Totalreflexion an der Oberfläche S verlassen, wozu der Krümmungsradius R der Oberfläche S in den folgenden Bereichen liegen sollte

Dc

2 sin (sin"¹ 1 -

worin Dc den Durchmesser des Kerns bezeichnet.

Das bedeutet, daß, wenn der Krümmungsradius R der Oberfläche S nicht die obengenannte Beziehung erfüllt, ein Verlust an Licht auftritt, weil aus dem zylindrischen Reflexionsglied austretendes Licht an der Oberfläche S total reflektiert wird. In der Praxis sind die Strahlen, die einen Neigungswinkel c^^ besitzen, in ihrer Intensität schwach infolge der Strahlungsverteilung von der Lichtquelle und anderen Faktoren, so daß die Beschränkung bezüglich ( R I innerhalb des folgendes Bereiches liegen kann

0,6 Dc
I Rl*

2 sin ( sin"¹ 1 -

Wenn die Strahlungsverteilung von der Lichtquelle eng ist, und der Neigungswinkel des Lichts,der maximale Neigung in der Eaeer hat,CXi₂ beträgt (Οι 2^1 *' ^er9^{ibt sich eln} Bereich

-17-

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3(128597

für ) R I wie folgt

DC

2 Biirtsln"¹ 1

In der Praxis liegt der Bereich für J R | wenn die dargelegten Gründe in Betracht gezogen werden,bei

,1 S Q/6 Dc

2 sin(sin"¹ 1 -oS₂)

Weiterhin kann.die Endfläche einer Monofaser oder einer Glasstange als asphärische Fläche geschliffen sein. In einem solchen Fall, wie er in Fig. 16 gezeigt ist, kann der Winkel ß, der von dem Normalvektor η und der Achse der Monofaser begrenzt ist, innerhalb des folgenden Bereiches liegen

In der Praxis ist ein zulässiger Bereich für ß ß|^2(sin"¹ 1 -^₁ ).

Es seien nun die Daten für ein erstes, zweites,drittes und viertes erfindungsgemäßes optisches System angegeben.

-18-

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r1	- 5
r2	- -1,3
r3	-5
r4	—2,3
r5	• OO
r6	- OO

f-O,955 O - 58°

3Π28597

System d.|«o,9 n^-1

d₄- ο

d₅-3,o n₃« 1,62 (Monofaser)

D-1,6, L»2,21, NA'-O,5

0»3o /u# n0

030066/0835

3Π28597

System

1 d -o,8 Ii₁-1,8ο61

., _β, ( Monofaser)

D-1,6, L-2,28, NA'-O,5 0-3θ /U , §3ζ«- -Ο#θ97

£-1,o35 P -56°

030066/0835

	-	oo
r2	-2
r3	-1	,5
*4	—	1,5
r5	-	σο
*6	-

£-1,34 GJ-58,4°

VT

D-1,6, L»1,78, NA¹- o,5 0-3O/U , §£r - O,o97

- 3C28537 ι

System3

α^ο,δ η,-1,8061

d₂"°'⁵

d₃-2,o n₂-1,8o61

d₄-o,5

, _c~ ( Monofaser)

d₅-3,o n₃-1,62

030066/0835

System 4

_Γι-2,696 d -1 2 η -1 ,8ο61

r₂—2,4o4 ¹^ '

^r3*³'² . «3,0 η »1,62 (Monofaser)

γ· .■ O^

D-2,2, L=1,3o6 NA'-O,5

0«3OyU §^T " Ο,θ97

f-1,4o5 O- 64°

^r1» ^r2 ··· die Krümmungsradien der Linsen,

(I₁, d₂ ... die Dicken der Linsen bzw. axialen Luftabstände zwischen diesen,

n,. / n₂ ... die Brechungsindizes der Linsen,

D den Durchmesser des Lichtleiters, wobei r,d, und η auch die Daten einer Monofaser als zylindrisches Reflexionsglied mit den Längeneinheiten, in mm,

f die Brennweite und

(jj den halben Bildfeldwinkel bezeichnen.

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I⁰I

Von diesen Systemen bezieht sich das System 1 auf das in Fig. 11 gezeigte optische System, bei dem ein zylindrisches Reflexionsglied in Form einer Monofaser zwischen dem Lichtleiter und dem aus zwei konvexen Linsen bestehenden Linsensystem angeordnet ist.

Das System 2 bezieht sich auf das in Fig.12 gezeigte System, bei dem eine Monofaser, deren Ende eine geschliffene sphärische Oberfläche besitzt, zwischen einer positiven Einzellinse und dem Lichtleiter angeordnet ist.

Das System 3 besitzt den in Fig. 13 gezeigten Aufbau, bei dem eine Monofaser zwischen dem Lichtleiter und einem Linsensystem, das aus einer konkaven Linse und einer konvexen Linse besteht, angeordnet ist.

Das System 4 besitzt den in Fig. 14 gezeigten Aufbau, bei dem eine Monofaser, deren eines Ende eine geschliffene sphärische Oberfläche besitzt, zwischen einer positiven Einzellinse und dem Lichtleiter angeordnet ist.

F bezeichnet in Fig. 11 bis 14 die hintere Brennebene.

Die vorstehende Erläuterung bezüglich der als AusfUhrungsbeispiele angegebenen Systeme betraf Reflexionsglieder von rundzylindrischer Form. Das Reflexionsglied braucht jedoch keine Rundform zu besitzen, sondern kann auch im Querschnitt

-23-030066/0835

quadratisch sein oder es kann zugespitzt verlaufen, wobei das eine Ende kleiner ist als das andere.

Das zylindrische Reflexionsglied kann aus einer selbstfokussierenden Faser bestehen, ebenso wie es von einem zylindrischen Reflexionsspiegel,einer Monofaser oder einer Glasstange gebildet sein kann.

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Leerseite

Claims (1)

1. oot 7761

   28. Juli 198ο

   L/Kdg

   Patentansprüche

   1. Optisches Beleuchtungssystem für Endoskope, enthaltend einen Lichtleiter und ein Linsensystem vor dem Lichtleiter,

   gekennzeichnet durch zumindestens

   (6)
   ein zylindrisches Reflexionsglied zwischen dem Lichtleiter (1)

   und dem zugewandten vorderen Abschnitt des Linsensystems (3) .

   2. Optisches Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine räumliche Konversionslänge a vom hinteren Brennpunkt des Linsensystems zur Endfläche des zylindrischen Reflexionsgliedes an der Lichtleiterseite entsprechend der folgenden Bedingung

   -2n
   NĹ

   worin 0 der Durchmesser der Faser des Lichtleiters und

   NA¹ die numerische Apertur der austretenden Strahlung ist.

   -2-

   030066/0835

   3. Optisches Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Monofaser als zylindrisches Reflexionsglied verwendet wird.

   4. Optisches Beleuchtungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche der Monofaser zur Linsen-seite eine gekrümmte Oberfläche besitzt.

   5. Optisches Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 4,dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Linse des Linsensystems aus einer Monofaser hergestellt ist, deren zumindestens eine Endfläche eine gekrümmte Oberfläche besitzt.

   6. Beleuchtungssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius R der gekrümmten Oberfläche der folgenden Bedingung genügt

   o,6 Dc

   2 sin (sin"¹ 1 -

   worin Dc den Durchmesser der Monofaser, η den Brechungsindex der Monofaser und O^ .j den Winkel von dem Strahl mit dem weitesten Gesichtswinkel zur Achse der Monofaser bezeichnet.

   7. Beleuchtungssystem nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Oberfläche der folgenden Bedingung genügt.

   C ο,β Dc

   2 sin (sin"¹ 1 - oC*)

   030066/0835

   -3-

   worin
   Dc den Durchmesser der Monofaser,

   η den Brechungsindex der Monofaser und O^ den Winkel von dem Strahl der Lichtquelle, der den größten Winkel zur Achse der Monofaser einnimmt, bezeichnet.

   8. Beleuchtungssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Oberfläche eine asphärische Oberfläche ist und der Winkel ß, der durch den Normalvektor der asphärischen Oberfläche zur Achse der Monofaser bestimmt ist, der folgenden Bedingung genügt

   2 ( sin"¹ 1 -

   Beleuchtungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem aus zwei konvexen Linsen besteht und die folgenden Daten aufweist:

   030066/0835

   ^r1 - 5 ^r2 - -1,3 ^r3 -5 ^r4 —2,3 ^r5 « OO ^r6 * OO

   System 1 d.|«o,9 n.j"1,8o61

   n₂"1#8o61 dg"3,o Πβ» 1,62 (Monofaser)

   d₄- ο

   D-1,6, L-2,21, NA'«o,5 0"3O /Ur Π0

   £-o,955 O - 58°

   ^Τι\ι ^r ₂ ... die Krümmungsradien der Linsen,

   α«!, dj ... die Dicken der Linsen bzw. axialen Luftabstände zwischen diesen,

   H₁/ rij ... die Brechungsindizos der Linsen,

   D den Durchmesser des Lichtleiters, wobei r,d, und η auch die Daten einer Monofaser als zylindrisches Reflexions glied mit den Längeneinheiten, in mm,

   f die Brennweite und

   (Λ den halben Bildfeldwinkel bezeichnen.

   030066/0835

   1o. Beleuchtungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem aus einer konvexen Linse besteht und durch die folgenden Daten :

   System 2

   ■ 2

   d..^eo,8 n.^a1,8o61

   d₂"°'¹

   ^r3*² _, , _Λ „ »ι «ο ( Monofaser) d₃-3,o n₂"1,o2

   D-1,6, L-2,28# NA'«O,5 0-3O /U , Sat- -O,O97

   f-1,o35
   P -56°

   worin

   ^r1» ^r2 ··· die Krümmungsradien der Linsen,

   el-! , d2 ... die Dicken der Linsen bzw. axialen Luftabstände

   zwischen diesen,

   τχ. , ΤΪ2 ... die Brechungsindizes der Linsen,

   D den Durchmesser des Lichtleiters, wobei r,d, und η auch die Daten einer Monofaser als zylindrisches Reflexionsglied mit den Längeneinheiten, in mm,

   f die Brennweite und

   (_j den halben Bildfeldwinkel bezeichnen.

   030Q68/0835

   11. Beleuchtungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem aus einer konkaven und einer konvexen Linse besteht und durch folgende Daten:

   System3

   ^r2 -2 ^r3 -1,5 *4 — 1,5 ^r5 . co

   U₁-0,5 n.,-1,8061

   d₂*°'⁵

   d₃=»2,o n₂»1,8o61

   d₅»3,o n₃-1,62 ( Monofaser)

   D-I,6, L=1,78, NA¹- O,5 0-3O/U , §£r - o,o97

   f-1,34 CJ-58,4°

   ^r1» ^r2 ... die Krümmungsradien der Linsen,

   d₁/ d₂ ... die Dicken der Linsen bzw. axialen Luftabstände zwischen diesen,

   n.., &2 ... die Brechungsindizes der Linsen,

   D den Durchmesser des Lichtleiters, wobei r,d, und η auch die Daten einer Monofaser als zylindrisches Reflexionsglied mit den Längeneinheiten, in mm,

   f die Brennweite und

   (j den halben Bildfeldwinkel bezeichnen.

   12. Beleuchtungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem aus einer konvexen Linse besteht und durch folgende Daten:

   Γ,-2,696 r₂—2,4o4 r₃-3,2 ν." CO

   «1,-1,2

   System 4 η,»!,8ο61

   n₂»1,62 (Monofaser)

   D«2,2, L=1,3o6 NA'»o,5

   0-3O/U ^t ■ o,o97

   f-1,4o5 O- 64°

   worin

   ^r1' ^r2 ··. die Krümmungsradien der Linsen,

   ci-j, d₂ ... die Dicken der Linsen bzw. axialen Luftabstände

   zwischen diesen,

   n*1 n₂ ... die Brechungsindizes der Linsen,

   D den Durchmesser des Lichtleiters, wobei r,d, und η auch die Daten einer Monofasor als zylindrisches Reflexionsglied mit den Längeneinheiten, in mm,

   f die Brennweite und

   LJ den halben Bildfeldwinkel bezeichnen.

   030066/0835