DE2544519C3

DE2544519C3 - Beleuchtungsvorrichtung für Endoskope

Info

Publication number: DE2544519C3
Application number: DE2544519A
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Hachiouji Tokio Imai
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1974-10-08
Filing date: 1975-10-04
Publication date: 1981-03-12
Also published as: DE2544519A1; DE2544519B2; US4017150A

Description

/// < 0,866

d < τ.

wobei /der Durchmesser des Lichtleiters (11), t/der Luftspalt zwischen der Endfläche des Lichtleiters und der nächstgelegenen Linsenoberfläche des positiven Linsensystems (12) und /die Brennweite des positiven Linsensystems darstellen.

3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das positive Linsensystem (12) aus zwei positive Linsen mit den (olgenden numerischen Werten besteht:

r, = x
r₂ = -3,5
r, = 3.5

d = 0,2

d, = 1,1 n, = 1.7859 .-, = 44,2 = 0,1

d₃ = 1.1 n₂ = 1,7859 ι·₂ = 44,2 r₄ = χ

wobei η bis γα die Krümmungsradien der zugehörigen Linsenoberflächen, c/i bis dj die Dicken der entsprechenden Linsen bzw. den Luftspalt zwischen den Linsen, n> und nj die Brechungsindizes der entsprechenden Linsen und vi und V₂ die Abbe-Zahlen der entsprechenden Linsen darstellen.

4. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das positive Linsensyitem (12) in bezug auf den Lichtleiter (U) so angeordnet ist, daß die optische Achse (12a,/ des Linsensystems gegenüber der Mittelachse (HaJ des Lichtleiters verschoben ist.

5. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das positive Linsensystem (12) aus zwei positiven Linsen mit den folgenden numerischen Werten besteht:

r, = χ

T₁ = -3,5
r, = 3.5

= 1,1 n, = 1.7859 r, = 44,2 (I₂ = 0.1
</., = 1,1 /i₂ = 1,7859 v₂ = 44.2 wobei η bis r₄ die Krümmungsradien der entsprechenden Linsenoberflächen, d\ bis Λ die Dicken der entsprechenden Linsen sowie den Luftspalt zwischen diesen Linsen, m und m die Brechungsindizes der entsprechenden Linsen, v\ und vi die Ahue-Zahlen der entsprechenden Linsen, /die Brennweite des ίο Linsensystems, / den Durchmesser des Lichtleiters und t das Maß der Verschiebung zwischen der Mittelachse (Wa) des Lichtleiters (11) und der optischen Achse (Ha) des Beleuchtungslinsensystems (12) darstellen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungsvorrichtung für Endoskope mit einem Lichtleiter und einem nahe dem distalen Ende des Lichtleiters angeordneten positiven Linsensystem, welches das aus dem Lichtleiter kommende Lichtbündel durch ein Austri'tsfenster des Endoskopkopfes auf ein Beleuchtungsfeld richtet.

Bei einem aus der US-PS 34 56 641 bekannten Endoskop werden ultraviolette Strahlen aus einem Lichtleiter von einer postiven Linse gesammelt und ein konvergierender Beleuchtungsstrahlengang auf das zu beleuchtende Feld gerichtet Die ultravioletten Strahlen werden von bestimmten Geweben, insbesondere kranken Geweben als sichtbare Lichtstrahlen durch ein Eintrittsfenster zurückgeworfen und von einer Miniaturkamera aufgenommen. Die im Beleuchtungsstrahlen gang angeordnete positive Linse wirkt in der bekannten Anordnung daher als Sammellinse, die ein im konvergenten Strahlengang, d. h. vor dem Brennpunkt gelegenes Objektfeld zu beleuchten hat

In jüngster Zeit sucht man insbesondere bei Endoskopen mit gedrängten Endoskopköpfen eine möglichst große Beobachtungszone zu erreichen. Zu diesem Zweck wurden Weitwinkel-Linsensysteme als optisches System für Endoskope entwickelt. Bei bekannten Endoskopausführungen unter Verwendung von Lichtleitern zur Bild- und Lichtübertragung konnten Beleuchtungsfeldkegel mit einem Scheitelwinkel von etwa 50° praktisch realisiert werden. Es hat daher keinen Zweck, mit Hilfe aufwendiger Beobachtungsobjektive einen den vorgenannten Winkel übersteigenden Sichtwinkel zu erreichen, da in diesem Falle der Randbereich des Beobachtungsfeldkegels mangels ausreichender Ausleuchtung nicht erkennbar wäre. Demgemäß konnten die Vorzüge eines Weitwinkel-Beobachtungsobjektivs mit den bekannten Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtungen nicht zufriedenstellend ge-

-,5 nutzt werden.

Der Vergrößerung des Beleuchtungsfeldes zur möglichst vollständigen Ausnutzung des obenerwähnten Weitwinkelobjektivs sind durch die Gegebenheiten beim Einsatz von Endoskopen Grenzen gesetzt. In

so Fig, 1 ist schematisch eine als naheliegend denkbare optische Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtung gezeigt, die einen divergenten Beleuchtungsfeldkegel ermöglicht. Bei ihr ist am Ende des Lichtleiters 1 eine negative Linse (Zerstreuungslinse) 2 angeordnet. Bei Endosko-

i,-, pen mit einem Lichtleiter zur Beleuchtung eines vorwärtsgerichteten Beobachtungsfeldes ist üblicherweise am Endoskopkopf ein Schutzschirm 3 vorgesehen, dessen äußerer Rand das Austrittsfenster des

Endoskopkopfes begrenzt Dieser Schutzschirm verhindert, daß die vordere Stirnfläche des Lichtleiters 1 oder die vordere Linsenflache des Beobachtungsobjektivs in engen Kontakt mit der Oberfläche des zu beobachtenden Objekts gerät und dadurch verschmutzt wird. Bei der in F i g. 1 dargestellten Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtung, bei der ein divergenter Beleuchtungsfeldwinkel mit Hilfe eines negativen Linsensystems (Zerstreuungslinsensystem) 2 geschaffen wird, schattet der haubenförmige Schutzschirm 3 das Licht im Randbereich teilweise ab. Die Endfläche des zur Bildübertragung verwendeten Bildleiters ist generell gegenüber der Endfläche des zur Beleuchtung dienenden Lichtleiters verschoben. Wenn daher der das Beleüchtungsfeld der Beleuchtungsvorrichtung bestimmende Winkel etwa gleich dem Feldwinkel des Beobachamgslinsensystems ist, bleibt ein Teil des Beobachtungsfeldes dunkel, so daß sich sogar die Notwendigkeit der Verwendung eines Beleuchtungsliniensystems ergibt, dessen Ausgangswinkel vergleichsweise größer ist.

Mit der Erfindung wird die Aufgabe gelöst, eine Weitwinkelbeleuchtungsvorrichtung für Endoskope anzugeben, die den effektiven Ausleuchtungsbereich bei Verwendung eines über die distale Austrittsfläche der Beleuchtungsvorrichtung vorstehenden Schutzschirms vergrößert, d. h. die durch den vorstehenden Teil des Schutzschirms hervorgerufene Abschattung des Beleuchtungsfeidkegels verringert

Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der hintere Brennpunkt des postiven Linsensystems in einem so kleinen Abstand vom Linsensystem innerhalb der durch den äußeren Rand eines Schirmes gebildeten Begrenzung des Endoskopkopfes liegt daß ein divergierender Beleuchtungsstrahlengang aus dem Endoskopkopf austritt. Die Erfindung bedient sich daher eines positiven Linsensystems, das bisher mit entsprechend großer Brennweite nur zur Beleuchtung des Objektfelds im konvergemen Strahlengang verwendet wurde, zur Entwicklung eines stark divergierenden Beleuchtungsstrahlenganges für die Ausleuchtung eines großen Beleuchtungsfeldes. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus. daß ein positives Linsensystem bei sehr kurzer Brennweite aufgrund des im Vergleich zu einem negativen Linsensystem in Strahlrichtung verlegten Brennpunktes einer geringeren Abschattung durch die durch den äußeren Rand des Schutzschirms gebildete Begrenzung unterworfen ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtung mit einem Lichtleiter und einem regativen Linsensystem, wie sie als naheliegende Losung denkbar wäre:

Fig. 2 eine schematische .Schnittansicht zur Erläuterung des Erfindungsprinzips:

F ι g. 3 eine schematische Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung:

Fig,4 eine schematische Schnittansicht durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung und

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

Im folgenden wird auf die Ausfünrungsbeispiele der Erfindung darstellenden Zeichnungsfiguren Bezug genommen. In allen Ausführungsbeispielen ist nahe dem Ende eines Lichtleiters Jl, der dem Lichtleiter 1 in

Fig. I entspricht tin positives Linsensystem 12 angeordnet Das positive Linsensystem 12 hat die Wirkung, 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 Beleuchtungswinkel größer und andererseits den Lichtintensitätsverlust extrem gering zumachen.

Wenn /die Brennweite des positiven Linseasystems 12, /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 Fno die F-Zahl des optischen Systems darstellen, so gelten die folgenden Beziehungen-

F so

tan θ =

2/
1

Wenn der Beleucntungsfeldwinkel Θ 70° ist, ergibt sich daher:

F KiI — ^

2 tan θ

= 0,866

so daß sich die F-Zahl wie folgt ergibt:
F.vo < 0,866

Da das positive Linsensystem in einem begruizten 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 Lichtintensitätsverlustlj. Darüber hinaus wird das aus dem Lichtleiter austretende Licht vor seinem Eintritt in das positive Linsensystem stark gestreut, mit dem Ergebnis 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 zuhalten:

I
d < ₂ /

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das nach den zuvor angegebene! Konstruktionsprinzipien iufgebaut ist, ist in F i g. 3 dargestellt und durch die folgenden numerischen Werte bestimmt:

r₂ = -3.5
r, = 3.5

= 1,1 n, = 1,7859 ι·, = 44,2 ,I₂ = 0.1
</., = 1,1 /I₂ = 1,7859 v₂ = 44,2

hierbei bedeuten η bis r_t die Krümmungsradier, der zugehörigen Linsenflächen des Beleuchtungslinsensy-

stems 12, d\ bis ds die Dicken der entsprechenden positiven Linsen und den Luftspalt zwischen den entsprechenden Linsen, ti\ und r>i die Brechungsindizes der entsprechenden Linsen und ι>ι bzw. i>> die Abbe-Zahlen der entsprechenden Linsen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird f- 2.252; c/=0.2; und /=3. Der Beleuchtungsfeldwinkel beträgt 80" oder mehr. Darüber hinaus kann eine gute Beleuchtung erzielt werden, wobei UngleichmäBigkeiten minimalisiert sind.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 weist zwar das Beleuchtungslinsensystem 12 gemäß F i g. 3 auf. unterscheidet sich in der Konfiguration von d?r Ausführungsform nach Fig. 3. Die optische Achse 12a des Beleuchtungslinsensystems 12 ist gegenüber der Mittelachse Hades Lichtleiters 11 um ein kleines Stück / rechtwinklig zur optischen Achse 12a des Beleuchtungslinsensystems 12 verschoben. Durch diese Anordnung wird die Beieuchtungszone der Lichtstrahlen, die von dem Linsensystem 12 zunächst zum Konvergieren 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 Θι zwischen dem äußersten divergierenden Strahl auf der Seite, nach der das Beleuchtungssystem 12 verschoben ist. und der Mittelachse 11a 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 Beleuchtungszone 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 Ausführungsbeispicl gemäß Fig.4 hat der Luftspalt d zwischen der Endfläche des Lichtleiters 11 und der nächstfolgenden Linsenfläche η des Beleuchtungslinsensystems 12 einen Wert von 0,1. die > Verschiebung ι zwischen der Mittelachse 11a des Lichtleiters und der optischen Achse 12a des Bcleuchtungslinsensystems einen Wert von 0.2, und der Abweichungswinkel θ von der optischen Achse O des durch das Beleuchtungslinsensystem fallenden Lichts

to gegenüber der Mittelachse 1 la des Lichtleiters wird 5°. Der Winkel θ, zwischen der Mittelachse lla des Lichtleiters und dem äußersten Strahl auf der Seite, nach der das Beleuchtungslinsensystem verschoben ist (die Unterseite in F i g. 4) beträgt 52°9' und der

i". entsprechende Winkel θ; 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

2Ii 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 Ausleuchtiing wichtigsten Teil der Gesamtstrahlung. Bei dem angegebenen Linsensystem werden diese Strahlen am hinteren Brennp.i.ikt des positiven Linsensystems zum Konvergieren und danach ur.ier einem großen Winkel zum

ίο 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

r> möglich, die Beobachtungszone ohne Lichteinbuße wirksam auszuleuchten. Dadurch wird im Effekt der sichtbare Bereich der Beobachtungszone noch weiter vergrößert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Beleuchtungsvorrichtung für Endoskope mit einem Lichtleiter und einem nahe dem distalen Ende des Lichtleiters angeordneten positiven Linsensystem, welches das aus dem Lichtleiter kommende Lichtbündel durch ein Austrittsfenster des Endoskopkopfes auf ein Beleuchtungsfeld richtet, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Brennpunkt (13) des positiven Linsensystems (12) in einem so kleinen Abstand vom Linsensystem innerhalb der durch den äußeren Rand eines Schirmes (3) gebildeten Begrenzung des Endoskopkopfes liegt, daß ein divergierender Beleuchtungsstrahlengang aus dem Endoskopkopf austritt

Z Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein positives Linsensystem mit den folgenden Werten:

r. =

I = 0,2