DE2544519A1

DE2544519A1 - Optische weitwinkel-beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2544519A1
Application number: DE19752544519
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Imai
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1974-10-08
Filing date: 1975-10-04
Publication date: 1976-04-15
Also published as: US4017150A; DE2544519B2; DE2544519C3

Description

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER ■ D 43OO ESSE^ 1 - AM PUHRSTElN 1 · TEL.: (02 01) 4126 Seite — «ar-

OLYMPUS OPTICAL CO., LTD. Hatagaya 2-43-2, Shibuya-ku, Tokyo-to, Japan

Optische Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtung mit einem Lichtleiter und einem nahe dem Ende des Lichtleiters angeordneten Linsensystem.

In jüngster Zeit sucht man insbesondere bei Endoskopen eine möglichst große Beobachtungszone zu erreichen. Zu diesem Zweck wurden Weitwinkel-Linsensysteme als optische Systeme für Endoskope entwickelt. Bei bekannten Ausführungen, in denen ein Lichtleiter, z. B. ein optisches Faserbündel zur Übertragung des zur Beleuchtung verwendeten Lichts in Endoskopen benutzt wird, ist sogar der theoretische Beleuchtungsstrahlungswinkel nur 60°, während der der tatsächlich beleuchteten Zone entsprechende Winkel nur 50° beträgt. Es nutzt daher nichts, ein Beobachtungsobjektiv mit einem den vorgenannten Winkel übersteigenden Sichtwinkel einzusetzen, da in diesem Falle der Randbereich des Beobachtungsfeldes mangels ausreichender Ausleuchtung nicht erkennbar wäre. Demgemäß können die Vorzüge eines Weitwinkel-Beobachtungsobjektives mit den bekannten Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtungen nicht zufriedenstellend benutzt werden.

Um das Problem der vollständigen Ausnutzung des zuvor er-

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wähnten Weitwinkelobjektivs für Endoskope zu lösen, muß die Ausleuchtungszone entsprechend vergrößert werden. Eine zu diesem Zweck entwickelte optische Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtung ist in Fig. 1 gezeigt. Bei ihr ist am Ende des Lichtleiters 1 eine konkave Linse 2 angeordnet. Diese bekannte Vorrichtung hat jedoch die folgenden Nachteile. Bei Endoskopen mit einem Lichtleiter zur Beleuchtung insbesondere eines vorwärts gerichteten Beobachtungsfeldes ist in der Regel am distalen Ende des Endoskops ein haubenförmiger Schirm 3 vorgesehen, der verhindert, daß die Stirnbzw. Endfläche des Lichtleiters oder die vordere Linsenoberfläche des Beobachtungsobjektivs in engen Kontakt mit der Oberfläche des zu beobachtenden Objekts gerät. Bei der in Fij 1 dargestellten Vorrichtung, bei der der Feldwinkel des Weitwinkel-Beleuchtungssystems mit Hilfe einer konkaven Linse 2 erweitert wird, schneidet der haubenförmige Schirm 3 das Licht im Randbereich teilweise ab. Die Endfläche des zu Beobachtungszwecken verwendeten Bildleiters ist generell gegenüber der Endfläche des zur Beleuchtung dienenden Lichtleiters verschoben. Wenn daher der die Beieuchtungszone der Beleuchtungsvorrichtung bestimmende Winkel etwa gleich dem Feldwinkel des Beobachtungslinsensystems ist, bleibt ein Teil der Beobachtungszone dunkel, so daß sich sogar die Notwendigkeit der Verwendung eines Beleuchtungslinsensystems ergibt, dessen Ausgangswinkel noch größer ist.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, eine optische Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine weitergehende Ausleuchtung des Beobachtungsfeldes vor allem auch unter den Gegebenheiten bei Verwendung in Endoskopen ermöglicht.

Ausgehend von einer optischen Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtung, schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß das Linsensystem ein positives Linsensystem ist, d3B zur Ausleuchtung eines großen Bereichs des Beobachtungsfeldes so ausgebildet und angeordnet ist, daß die aus dem

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Ende des Lichtleiters austretenden Beleuchtungsstrahlen am hinteren Brennpunkt des positiven Linsensysteros konvergierend und danach divergierend geführt sind.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das positive Linsensystem in Bezug auf den Lichtleiter so angeordnet ist, daß die optische Achse des Linsensystems gegenüber der Mittelachse des Lichtleiters verschoben ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert: Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht durchfeine bekannte optische

Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtung mit Lichtleiter;

Fig. 2 eine Schnittansicht zur Erläuterung des Erfindungsprinzips;

Fig. 3 eine Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 eine Schnittansicht durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts aus einer optischen Faser.

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Im folgenden wird auf die Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellenden Zeichnungsfiguren Bezug genommen. In allen Ausführungsbeispielen ist nahe dem Ende eines Lichtleiters 11, der dem Lichtleiter 1 in Fig. 1 entspricht, ein positives Linsensystem 12 angeordnet. Die Anordnung und Ausbildung des positiven Linsensystems 12 ist so getroffen, daß das aus der Endfläche des Lichtleiters 11 austretende Beleuchtungslicht zunächst auf den hinteren Brennpunkt 13 des positiven Linsensystems 12 konvergiert und sodann divergiert, um die Beobachtungszone auszuleuchten. Durch diese Anordnung ist es möglich, einerseits den Beleuchtungsfeldwinkel größer und andererseits den Lichtintensitätsverlust extrem gering zu machen.

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Wenn f die Brennweite des positiven Linsensystems 12, 1 den Durchmesser des Lichtleiters 11, θ den Winkel zwischen der optischen Achse des optischen Systems und dem rechtwinklig aus der Endfläche des Lichtleiters austretenden und nach dem Durchtritt durch das optische System die optische Achse kreuzenden Licht, und schließlich F die F-Zahl des optischen Systems darstellen, so gelten die folgenden Beziehungen:

tan θ = -^- (2)

NO " 2 tan θ

Nimmt man an, daß jeder Lichtstrahl aus dem Lichtleiter unter einem Winkel von etwa 25° verteilt wird, muß der Winkel θ 30° oder größer gemacht werden, um einen Beleuchtungsfeldwinkel von 70° oder mehr zu erhalten. Aus der Gleichung (3) ergibt sich daher:

^FN0 ■ = °'^{866 (4)}

so daß sich die F-Zahl wie folgt ergibt:

F_N0 < 0,866 (5)

Da das positive Linsensystem in einem begrenzten Raum untergebracht werden muß, darf vor allem der Außendurchmesser nicht groß gemacht werden. Wenn der Luftspalt zwischen der Endfläche des Lichtleiters und dem positiven Linsensystem groß ist, ergeben sich Lichtintensitätsverluste. Darüberhinaus wird das aus dem Lichtleiter austretende Licht vor seinem Eintritt in das positive Linsensystem stark gestreut, mit dem Ergebnis

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weiterer Lichtintensitätsverluste. Es ist daher erwünscht, den Luftspalt d zwischen der Endfläche des Lichtleiters und dem positiven Linsensystem in dem durch die nachstehende Beziehung definierten Bereich zu halten:

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das nach den zuvor angegebenen Konstruktionsprinzipien aufgebaut ist, ist in Fig. 3 dargestellt und durch die folgenden numerischen Werte bestimmt:

^rl =

Cl₁ = 1,1 U₁ = 1,7859 J₁ = 44,2

r₂ = -3,5

d₂ = 0,1
r₃ - 3,5

d₃ = 1,1 n₂ = 1,7859 \^ = 44,2

^r4 -

hierbei bedeuten r^ bis r, die Krümmungsradien der zugehörigen Linsenflächen des Beleuchtungslinsensystems 12, d^ bis d~ die Dicken der entsprechenden positiven Linsen und den Luftspalt zwischen den entsprechenden Linsen, n^ und n₀ die Brechungsindizes der entsprechenden Linsen und -^, bzw. ^₂ die Abbe-Zahlen der entsprechenden Linsen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird f = 2,252; d = 0,2;

und 1=3. Der Beieuchtungsfeldwinkel beträgt 80° oder mehr.

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Darüberhinaus kann eine gute Beleuchtung erzielt werden, wobei Ungleichmäßigkeiten minimal±siert sind.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 weist zwar das Beleuchtungslinsensystem 12 gemäß Fig. 3 auf, unterscheidet sich in der Konfiguration von der Ausführungsform nach Fig. 3. Die optische Achse 12a des Beleuchtungslinsensystems 12 ist gegenüber der Mittelachse lla des Lichtleiters 11 um ein kleines Stück t rechtwinklig zur optischen Achse 12a des Beleuchtungslinsensystems 12 verschoben. Durch diese Anordnung wird die Beleuchtungszone der Lichtstrahlen, die von dem Linsensystem 12 zunächst zum Kovergieren und danach zum Divergieren gebracht werden, in der Richtung verschoben, in der die optische Achse 12a des Beleuchtungslinsensystems 12 selbst verschoben ist. Mit anderen Worten, der Winkel ©.zwischen dem äußersten divergierenden Strahl auf der Seite, nach der das Beleuchtungslinsensystem 12 verschoben ist, und der Mittelachse lla des Lichtleiters bzw. der optischen Achse 12a des Beleuchtungslinsensystems 12 wird größer als die Winkel der Strahlen an anderen Seiten. Wenn die optische Achse 12a daher in Richtung des Bildleiters (d.h. des optischen Beobachtungssystems) verschoben wird, kann die Verschiebung zwischen der Beobachtungszone und der Beieuchtungszone kompensiert werden. Dadurch wird eine außerordentlich günstige Beleuchtung auch für ein optisches Beobachtungssystem mit einem Weitwinkel-Linsensystem erzielt, und es ist möglich, eine große Zone unter ausgezeichneten Ausleuchtungsverhältnissen zu beobachten.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 hat der Luftspalt d zwischen der Endfläche des Lichtleiters 11 und der nächstfolgenden Linsenfläche r^ des Beleuchtungslinsensystems 12 einen Wert von 0,1, die Verschiebung t zwischen der Mittelachse lla des Lichtleiters und der optischen Achse 12a des Beleuchtungslinsensystems einen Wert von 0,2, und der Abweichungswinkel θ von der optischen Achse 0 des durch das Beleuchtungslinsensystem fallenden Lichts gegenüber der Mittel-

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achse 11a des Lichtleiters wird 5°. Der Winkel Q^. zwischen der Mittelachse 11a des Lichtleiters und dem äußersten Strahl auf der Seite, nach der das Beleuchtungslinsensystem verschoben ist (die Unterseite in Fig. 4) beträgt 52°9' und der entsprechende Winkel θρ auf der gegenüberliegenden Seite ist 35°57·.

Wie oben erläutert, ermöglicht die Erfindung die Ausleuchtung einer extrem großen,bzw. weiten Zone. Die Lichtintensität des aus der Endfläche jeder optischen Faser austretenden Lichts ist in der durch die Kurve a in Fig. 5 dargestellten Weise verteilt. Danach ist die Lichtintensität im mittleren Bereich höher und fällt zu den Randbereichen hin ab. Daher bilden die aus der Endfläche der optischen Faser rechtwinklig austretenden Strahlen den für die Ausleuchtung wichtigsten Teil der Gesamtstrahlung. Bei dem angegebenen Linsensystem werden alle Vertikalstrahlen am hinteren Brennpunkt des positiven Linsensystems zum Konvergieren und danach unter einem großen Winkel zum Divergieren gebracht. Dabei werden Ungleichmäßigkeiten der Ausleuchtung minimalisiert.

Wenn die optische Achse des Beleuchtungslinsensystems gegenüber der Mittelachse des Lichtleiters in der in Fig. 4 dargestellten Weise verschoben wird, ist es möglich, die Beobachtungszone ohne Lichteinbuße wirksam auszuleuchten. Dadurch wird im Effekt der sichtbare Bereich der Beobachtungszone noch weiter vergrößert.

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Claims

& HELBEP · D '30O FSSEM 1 ■ /»Μ R¹JHRSTEIN 1 · TEL.: (Ο2 Ο1) 4126 87

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Ansprüche

(!•/Optische Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtung mit einem Lichtleiter und einem nahe dem Ende des Lichtleiters angeordneten Linsensystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem ein positives Linsensystem (12) ist, das so ausgebildet und angeordnet ist, daß die aus dem Ende des Lichtleiters (11) austretenden Beleuchtungsstrahlen zum hinteren Brennpunkt des positiven Linsensystems konvergierend und danach divergierend geführt sind.
2. Optische Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein positives Linsensystem mit den folgenden Werten:

(1) f/1 *- 0,866

(2) d < if

wobei 1 der Durchmesser des Lichtleiters (11), d der Luftspalt zwischen der Endfläche des Lichtleiters und der nächstgelegenen Linsenoberfläche des positiven Linsensystems (12) und f die Brennweite des positiven Linsensystems darstellen.
3. Optische Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das positive Linsensystem (12) aus zwei positiven Linsen mit den folgenden numerischen Werten besteht:

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d = 0,2

~1

Cl₁ = 1,1 η_α = 1,7859 N₁ = 44,2

r₂ =-3,5

d₂ = 0,1
r₃ = 3,5

do = 1,1 n₀ = 1,7859 "\L = 44,2

wobei r^i bis r* die Krümmungsradien der zugehörigen Linsenoberflächen, d^, bis do die Dicken der entsprechenden Linsen bzw. den Luftspalt zwischen den Linsen, n^ und n₂ die Brechungsindizes der entsprechenden Linsen und A- und W₂ die Abbe-Zahlen der entsprechenden Linsen darstellen.
4. Optische Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das positive Linsensystem (12) in Bezug auf den Lichtleiter (11) so angeordnet ist, daß die optische Achse (12a) des Linsensystems gegenüber der Mittelachse (lla) des Lichtleiters verschoben ist.
5. Optische Weitwinkel-Beieuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das positive Linsensystem (12) aus zwei positiven Linsen mit den folgenden numerischen Werten besteht:

^rl

= 1,1 Ti₁ = 1,7859 ^₁ = 44,2

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r₂ = -3,5

d₂ = 0,1
r₃ = 3,5

d₃ = 1,1 n₂ = 1,7859 ^₂ = 44,2

r₄ = oo

t = 0,2

wobei r^ bis r« die Krümmungsradien der entsprechenden Linsenoberflächen, d^ bis d₃ die Dicken der entsprechenden Linsen
sowie den Luftspalt zwischen diesen Linsen, n,, und n₂ die Brechungsindizes der entsprechenden Linsen, V . und χ)~ die Abbe-Zahlen der entsprechenden Linsen, f die Brennweite des Linsensystems, 1 den Durchmesser des Lichtleiters und t das Maß der Verschiebung zwischen der Mittelachse (Ha) des Lichtleiters
(11) und der optischen Achse (12a) des Beleuchtungsiinsensystems (12) darstellen.
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