DE3328090A1

DE3328090A1 - Lichtuebertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3328090A1
Application number: DE19833328090
Authority: DE
Inventors: Kimihiko Tokyo Nishioka
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1982-08-05
Filing date: 1983-08-03
Publication date: 1984-02-09
Also published as: JPS5926703A; US4576435A; DE3328090C2

Description

D1PL.-INC. GERHARD PULS (1952-I971)

lA-57 406

^. . _η _ _TJ_, D-8000 MÜNCHEN 90

Olympus Optxcal Company Ltd. schwe.gerstrasse 2

Tokyo, Japan , „ . „

^J ' ^c telefon: (089) 66 lo Jl

TELEGRAMM: PROTECTPATENT

Telex: 5 Z4 070

Lichtübertragungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Lichtübertragungsvorrichtung insbesondere für die Beleuchtungsoptik eines Endoskops und dergl.

Die Optik eines bekannten Endoskops hat den in Fig. 1 schematisch gezeigten Aufbau, zu dem eine Beleuchtungsanordnung 10 mit einer Lichtquelle 1, beispielsweise einer Lampe, einem Reflektor la und einer Kondensorlinse 2 gehört. Von der Lichtquelle 1 ausgehendes Licht wird von der Kondensorlinse .2 so gebündelt, daß es auf ein Lichteintrittsende 3a eines Lichtleiters 3 auftrifft, der aus einem Bündel optischer Fasern besteht. Nach dem Durchlaufen des Lichtleiters 3 tritt das Licht an seinem Lichtaustrittsende 3b aus und wird mittels einer Beleuchtungslinse 4 auf ein zu beobachtendes Objekt 5 gerichtet. Eine Abbildung dieses Objektes 5 kann über eine Beobachtungsanordnung aus einem Beobachtungsfenster 6a, einem Objektiv 6, einem ebenfalls aus einem optischen Faserbündel bestehender Bildleiter 7 und einem Okular 8 beobachtet werden.

Bei Verwendung einer Lichtübertragungsvorrichtung dieser Art mit dem genannten Lichtleiter 3, der aus einer Anzahl gebündelter und mittels Klebstoff vereinigter optischer Fasern besteht, kann die verhältnismäßig schwache Wärmewiderstandsfähigkeit des

IA-:- 7 40c-

5.

Klebstoffs dazu führen, daß im Bereich des Lichteintrittsendes 3a, wo von der Lichtquelle 1 ausgehendes intensives Licht konzentriert einfällt, der Klebstoff versengt wird oder verschmort, was zu einem "Durchbrennen" des Lichtleiters führt. Aufgrund eines solchen Durchbrennens wird die zur Beleuchtung zur Verfugung stehende Lichtmenge verringert und die Beleuchtung wird ungleichmäßig, was·von Nachteil ist.

In Fig. 2 ist graphisch dargestellt, wie sich die Lichtstärke verteilt, die auf das. Lichteintrittsende 3a des hier verwendeten Lichtleiters 3 auftrifft. Anhand dieser Figur wird klar, daß die Erscheinung des Durchbrennens oder Verbrennens zur Mitte des Lichteintrittsendes hin zunimmt. Da neuerdings allmählich geringer werdende Durchmesser für Endoskope gewählt werden, die.einen dünneren Lichtleiter erfordern, muß eine Lichtquelle von größerer Stärke vorgesehen sein, wenn die Lichtmenge gleichbleiben soll.· Das führt verstärkt zur Erscheinung des Durchbrennens.

Eine weitere Schwierigkeit, die sich bei - Verwendung eines Beleuchtungssystems mit einem Lichtleiter 3 der genannten Art einstellt, bezieht sich auf die Ausrichtung einzelner Fasern zwischen dem Lichteintrittsende 3a und dem Lichtaustrittsende 3b. Wenn nämlich das in das Lichteintrittsende 3a einfallende Licht in seiner Stärke ungleichmäßig verteilt ist, wird diese Verteilung unmittelbar auch zum Lichtaustrittsende 3b übertragen, was zur Folge hat, daß für das zu beobachtende Objekt 5 Licht von ungleichmäßiger Verteilung zur Beleuchtung zur Verfugung steht. Ferner ist zu beachten, daß ein Lichtstrahl, der in der Richtung austritt, in der sich eine bestimmte Faser erstreckt, eine größere Lichtstärke hat, als ein beliebiger Strahl, der von der jeweiligen Faser

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·6·

ausgeht. Wenn also zwischen dem Lichteintrittsende und dem Lichtaustrittsende einer bestimmten Faser eine Versetzung besteht, wird durch die Brechung der Strahlen mittels der Beleuchtungslinse 4 verursacht, daß solche Strahlen von größerer oder größter Intensität auf eine Seite des Objektes 5 gelenkt werden, wie Fig. 3 zeigt. Das ergibt wiederum eine ungleichmäßige Beleuchtung.

Um das erwähnte Auftreten des Durchbrennens zu vermeiden, ist bereits vorgeschlagen worden, eine Einzelfaser aus einem Infrarotstrahlen absorbierenden Material zu verwenden, die zwischen dem Lichteintrittsende des Lichtleiters und', der Lichtquelle anzuordnen ist, oder auf eine Belüftungskühlung zurückzugreifen. Aber mit dieser Technik kann die erwähnte ungleichmäßige Beleuchtung nicht ausgeschaltet werden.

Um die vorstehend beschriebenen Nachteile bei Verwendung eines Lichtleiters als Lichtübertragungsvorrichtung zu vermeiden, ist es wünschenswert, daß das von der Lichtquelle ausgehende Licht auf die Lichteintrittsfläche des Lichtleiters gleichmäßig auftrifft, um eine gleichmäßige Verteilung der Lichtstärke über das ganze Eintrittsende hinweg zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lichtübertragungsvorrichtung zu schaffen, mit der die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und die auch bei der Übertragung von Licht hoher Intensität nicht zu Verbrennungen des Lichtleiters, insbesondere an den Enden führt, und die eine gleichmäßige Verteilung des abgegebenen Lichts sicherstellt.

Eine diese Aufgabe lösende Lichtübertragungsvorrichtung ist mit ihren Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

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Gemäß der Erfindung muß das durch eine Kondensorlinse hindurchtretende und auf das Lichteintrittsende eines Lichtleiters auftreffende Licht einen rohrförmigen Reflektor passieren, ehe es das Lichteintrittsende erreicht. Auf diese Weise erfährt das Licht Reflexionen innerhalb des Reflektors und erhält eine gleichmäßige Verteilung der Lichtstärke, wenn das Licht dem Lichteintrittsende zugeführt wird. Folglich wird eine gleichmäßige Verteilung der Lichtstärke über das ganze Lichteintrittsende erreicht und damit die Erscheinung des Durchbrennens ebenso wie die erwähnten Nachteile des Standes der Technik vermieden. Die Erfindung leistet damit einen großen Beitrag zur Verringerung des Durchmessers von Endoskopen und dgl.. Außerdem wird die Erscheinung des Durchbrennens auf ein Minimum eingeschränkt, wenn nicht ganz ausgeschlossen, und eine gleichmäßige Verteilung des zur Beleuchtung zur Verfugung stehenden Lichts erreicht.

Im Folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 4 eine vergrößerte Teilansicht einer Lichtübertragungsvorrichtung ;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der radialen Verteilung der Lichtstärke über das Lichteintrittsende eines in der Lichtübertragungsvorrichtung gemäß Fig. 4 verwendeten Lichtleiters.

In Fig. 4 ist eine Lichtübertragungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vergrößert in einer Teilansicht dargestellt. Dabei sind für Bauelemente, die denen der Fig. 1 entsprechen, die gleichen Bezugszeichen verwendet. Im einzelnen tritt das von einer Lichtquelle 1 ausgehen-

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-JB-

de Licht durch eine Kondensorlinse 2 hindurch und trifft auf einen rohrförmigen Reflektor 9 auf. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist der Reflektor 9 zwischen der Kondensorlinse 2 und dem Lichteintrittsende 3a eines, aus einem Bündel optischer Fasern bestehenden Lichtleiters 3 angeordnet. Der Reflektor 9 besteht aus einer Einzelfaser mit einem Faserkern 9a in Form einer Einzelfaser und einer Faserhülle 9b, die um die Umfangsflache des Faserkerns 9a herum als Mantel angeordnet ist. Die Einzelfaser muß so gewählt sein, daß sie bestimmte, im einzelnen noch' zu beschreibende Anforderungen erfüllt. Bei Verwendung einer Einzelfaser als Reflektor 9 kann von der Lichtquelle 1 ausgehendes Licht so angelenkt werden, daß es gleichmäßig verteilt ist, weil an der Grenzfläche zwischen dem Faserkern 9a und der Faserhülle 9b Reflexionen auftreten. Die dabei erhaltene Verteilung der Lichtstärke am Lichteintrittsende 3a des Lichtleiters 3 ist in Fig. 5 graphisch dargestellt. Hier zeigt sich deutlich, daß die Erscheinung, wonach das Durchbrennen zur Mitte des Lichteintrittsendes des Lichtleiters zunimmt, wie es beim Stand der Technik der Fall ist, hier vermieden wird, wobei gleichzeitig die Ungleichmäßigkeit bei der Beleuchtung wegfällt.

Zur Erläuterung der Anforderungen, die der rohrförmige Reflektor 9 zu erfüllen hat, soll auf die in Fig. 4 verwendeten Bezeichnungen hingewiesen werden, von denen L für die Abbildung eines Hellflecks einer als Lichtquelle dienenden Lampe steht, s die umgerechnete Entfernung in der Luft zwischen dem Lichteintrittsende der als Reflektor 9 dienenden Einzelfaser und der Abbildung L des Hellflecks bedeutet (die links vom Einfallsende als positiv und rechts davon als negativ angenommen wird), a den Radius des Faserkerns 9a bezeichnet, d die Länge der als Reflektor 9 benutzten Einzelfaser, längs

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• 9- -p-

der optischen Achse gemessen, <X/ einen Winkel zwischen einem Randstrahl und der optischen Achse (wenn ein Lichtbündel nicht symmetrisch zur Achse ist, wird ein Minimalwert gewählt) und η die Brechzahl des Faserkerns 9a angibt. Um das auf den Reflektor 9 in Form der Einzelfaser auftreffende Licht auch am Austrittsende gleichförmig zu erhalten, muß der Randstrahl mindestens einmal an der Grenzfläche zwischen dem Faserkern 9a und der Faserhülle 9b des Reflektors 9 reflektiert werden. Mit anderen Worten, die erwähnten Parameter müssen der folgenden Bedingung gehorchen:

(-S + ~) tan α >■ ä (1)

Bei zunehmender Länge der den Reflektor 9 bildenden Einzelfaser wird die Gleichförmigkeit des Lichtstroms gefördert. Allerdings ist die Länge insofern begrenzt, als eine Verringerung der Größe der Anordnung erwünscht ist. Sofern die Ungleichung (l) erfüllt ist, kann ein Lichtstrom von im wesentlichen gleichmäßiger Intensitätsverteilung erzielt werden.

Wenn man das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Faserkerns 9a der den Reflektor 9 bildenden Einzelfaser und dem Durchmesser des Lichtleiters 3 betrachtet, so zeigt sich, daß wenn a >■ a (worin a den Radius des Lichtleiters 3 wiedergibt), nur ein Teil des Lichtleiters 3 für die Übertragung von Licht genutzt wird, so daß der Lichtleiter 3 nicht wirksam eingesetzt wird. Folglich ist

(2)

zu wählen. Der Durchmesser der als Reflektor 9 benutzten Einzelfaser muß also dem Durchmesser des Lichtleiters 3

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entsprechen oder größer sein als dieser. Beim Zusammensetzen des Lichtleiters 3 und des Reflektors 9 ist es schwierig, eine exakte Ausrichtung der beiden optischen Achsen zu erreichen. Wenn hier Exzentrizität besteht, ist es erwünscht, daß der Faserkern 9a des Reflektors 9 den Lichtleiter 3 überdeckt. Wenn im einzelnen die Exzentrizität zwischen dem Reflektor 9 und dem Lichtleiter 3 mit e angenommen wird, so muß a + e < a. Wenn die Verteilung der Lichtstärke- am Lichteintrittsende des Reflektors 9 mit J(r) angenommen wird (worin r die radiale Entfernung von der Mitte der Einzelfaser angibt), ergibt sich als Gesamtmenge des durch das Licht.eintrittsende des Reflektors.9 hindurchtretenden Lichts:

-P

J(r) · 27Tr . dr

Dieses Licht wird auf seinem Weg durch den aus einer Einzelfaser bestehenden Reflektor 9 gleichmäßig verteilt und erzeugt am Lichtaustrittsende einen Lichtstrom von gleichmäßiger Stärke. Die Lichtmenge pro Flächeneinheit am Lichtaustrittsende des Reflektors 9 ist infolgedessen

' -2 > Q Ta

J(r) . 27Tr . dr

Damit ergibt sich als Gesamtlichtmenge E, die auf den Licht leiter 3 auftrifft,

E = -^- (^a J(r) . 2 7Tr . dr T-&2 ^)U

Wenn im Gegensatz dazu der Reflektor 9 nicht vorgesehen ist, ergibt sich als Gesamtlichtmenge E, die auf den Lichtleiter

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auftrifft

E = Γ J(r) . 2 TTr . dr

Γ ^J

J O

Die Menge (E - E) stellt den Lichtverlust ..dar, der aufgrund der Anordnung des Reflektors 9 eintritt. Außerdem verursacht die Anordnung des Reflektors 9 einen Lichtverlust aufgrund Fresnelscher Reflexion von Licht am Lichteintritts- und Lichtaustrittsende. Dieses Reflexionsvermögen wird ausgedrückt als £(n - l)/(n + I)J und liegt in einem Bereich von 0,04 bis 0,11, da η einen Wert im Größenordnungs.bereich von 1,5 bis 2,0 hat. In diesem Fall tritt eine Reflexion am Lichteintrittsende des Reflektors 9 und eine weitere am Lichtaustrittsende auf, was zur Folge hat, daß der Lichtverlust aufgrund der Fresnelschen Reflexion im Größenordnungsbereich von 0,08 bis 0,22 liegt. Es ist erwünscht, den oben erwähnten Lichtverlust (E - E) in einem Größenordnungsbereich zu halten, der dem Lichtverlust aufgrund der Fresnelschen Reflexion entspricht oder geringer ist als dieser. Folglich ist es wünschenswert, das Verhältnis zwischen a und a so zu wählen, daß die folgende Bedingung erfüllt ist:

0,3

In der Praxis ist es jedoch aus mechanischen Gründen nicht möglich, der als Reflektor 9 dienenden Einzelfaser eine solche Länge zu geben, daß eine perfekte gleichmäßige Verteilung der Lichtstärke über das ganze Lichtaustrittsende der Einzelfaser erhalten wird. Für praktische Zwecke reicht es, wenn folgende Ungleichung eingehalten wird:

0,5

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Um einen über den Lichtleiter 3 zu übertragenden Lichtverlust infolge der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem Faserkern 9a und der Faserhülle 9b der als Reflektor 9 dienenden Einzelfaser zu verhindern, müssen die Brechzahlen wie folgt gewählt werden:

" / 2 2/2 2

. ' * ⁿ - ⁿl ⁵V ⁿ2 * ⁿ3

Darin bezeichnet η- die Brechzahl der Faserhülle 9b, n_? die Brechzahl eines. Kerns 3c des Lichtleiters 3 und n„ die Brechzahl einer Hülle 3d des Lichtleiters 3.

Wie schon erwähnt, kann dadurch, daß zwischen der Kondensorl.inse 2 und dem Lichtleiter 3 eine Einzelfaser als rohrförmiger Reflektor 9 angeordnet wird, der die vorstehenden Anforderungen (1) bis (4) erfüllt, eine gleichmäßige Verteilung der Lichtstärke über das Lichtaustrittsende der Einzelfaser hinweg erzielt werden. Infolgedessen kann ein intensives, örtlich begenztes Durchbrennen im Lichteintrittsende des Lichtleiters 3 vermieden werden. Außerdem sorgt diese Lichtübertragungsvorrichtung auch immer dann für gleichmaßige Beleuchtung, wenn zwischen der den Reflektor 9 bildenden Einzelfaser und dem Lichtleiter 3 geringfügige Exzentrizität besteht oder wenn die einzelnen Fasern, aus denen der Lichtleiter 3 besteht, zwischen dem Lichteintrittsende und dem Lichtaustrittsende versetzt sind.

Wenn die Einzelfaser aus einem Infrarotstrahlen absorbierenden Material besteht, wird noch ein günstigeres Ergebnis im Hinblick auf die Vermeidung der Erscheinung des Durchbrennens erzielt. Die Hülle kann fehlen oder aus einem Klebstoff bestehen. Die Einzelfaser ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel in Form eines rohrförmigen Reflektors ausgebildet. Der Reflektor ist jedoch nicht auf dieses Aus-

4 ·

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. 43·

führungsbeispiel beschränkt sondern kann auch einen Glasstab oder ein Hohlrohr aufweisen, dessen Innenfläche so fertigbearbeitet ist, daß sie eine Totalreflexion ermöglicht. Wenn auch die Erfindung hier in Anwendung bei einer Beleuchtungsoptik für ein Endoskop, beschrieben wurde, liegt doch-auf der Hand, daß die Erfindung auch für andere Beleuchtungssysteme mit einem Lichtleiter gleichermaßen anwendbar ist.

Claims

PATENTANWÄLTE ·· ·* ** "* ** dä.-ing. franz vuesthoff

WUESTHOFF-v.PECHMANN-BEHRENS-GOETZ «·*·'«"··»««« ™«τηο*ρ α,,

DIPL.-ING. GERHARD PULS (19J2-I971)

EUROPEANPATENTATTORNEYS D₁PU-CHEM-D₁₁-E-FRE₁HERRVO

DR.-1NG.DIETER BEHRENS

D1PL.-ING.; DIPL.-V1RTSCH.-ING. RUPERT

D-8000 MÜNCHEN 90 SCHWEIGERSTRASSE 2

telefon: (083)662051 telegramm: protectpatent Telex: j 24 070

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Patentansprüche

j Lichtübertragungsvorrichtung mit einem Lichtleiter in Form eines optischen Faserbündels, einer Lichtquelle und einer zwischen der Lichtquelle und dem Lichtleiter angeordneten Kondensorlinse, bei der aus der Kondensorlinse austretendes Licht der Lichtquelle auf das Lichteintrittsende des Lichtleiters fällt und im Lichtleiter zu dessen Lichtaustrittsende geführt wird,
dadurch gekennzei chne t daß zwischen der Kondensorlinse (2) und aem|EictfvcreiT^5rsTo) ein rohrförmiger Reflektor (9) angeordnet ist, der die folgende Ungleichung ·-erfüllt:

(-S + —) tan Cx. > ■&

in der bedeuten:

s die Entfernung zwischen dem Lichteintrittsende des rohrförmigen Reflektors (9) und einem Punkt, der mit der Lichtquelle im Hinblick auf die Kondensorlinse konjugiert ist,

d die Länge des Reflektors,

η die Brechzahl desjenigen Teils des Reflektors, der den Durchtritt von Licht ermöglicht,

a den Radius des genannten Teils des Reflektors und

Qc die numerische Mindestapertur eines auf den Reflektor auftreffenden Lichtstroms.

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2. Lichtübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß der rohrförmige Reflektor (9) folgende Bedingung erfüllt: a < a, mit a dem Radius desjenigen Teils des Reflektors, der den Durchtritt von Licht ermöglicht, und a dem Radius eines Teils des Lichtleiters (3), der den Durchtritt von Licht ermöglicht.
3. Lichtübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor folgende Bedingung erfüllt:

E-E < 0,5

worin E die Gesamtlichtmenge wiedergibt, die durch den rohrförmigen Reflektor (9) auf den Lichtleiter auftritt, und E die Gesamtlichtmenge, die bei Fehlen des Reflektors auf den Lichtleiter auftrifft, wobei der Reflektor so konstruiert ist, daß der Lichtverlust dem genannten Verhältnis entspricht.
4. Lichtübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Reflektor (9) aus einer Einzelfaser besteht, die einen massiven zylindrischen Faserkern (9a) und eine Faserhülle (9b) um

land
den Kern herum aufweist, daß von der Lichtquelle kommendes Licht, welches auf den Reflektor auftrifft, an der Grenzfläche zwischen dem Faserkern und der Faserhülle reflektiert wird.
5. Lichtübertragungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelfaser so gewählt ist, daß sie folgende Bedingung erfüllt:

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η²

worin bedeuten:

η die Brechzahl des Faserkerns (9a), η die Brechzahl der Faserhülle (9b), η die Brechzahl des Kerns (3c) des Lichtleiters (3) und η die Brechzahl der Hülle (3d) des Lichtleiters (3).