DE3515809A1

DE3515809A1 - Optisches beleuchtungssystem fuer ein endoskop

Info

Publication number: DE3515809A1
Application number: DE19853515809
Authority: DE
Inventors: Masao Hachiouji Tokio/Tokyo Kuga; Akira Yokota
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1984-05-02
Filing date: 1985-05-02
Publication date: 1985-11-07
Also published as: JPS60232525A; JP2593430B2; US4929070A; DE3515809C2

Description

t -4-

11788 Dr.v.B/Schä/54
JA-PA 59-089129
AT: 2. Mai 1984

Olympus Optical Co. Ltd.
Tokyo, Japan

Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop, bei welchem ein optisches Vorderglied, wie eine Frontlinse, auf der Objektseite einer Vorrichtung, die zum Beleuchten dienendes Licht emittiert, angeordnet ist.

Bei einem bekannten optischen Beleuchtungssystem dieser Art ist eine Schutz-, Abdeck- oder Frontlinse vor der Lichtaustrittsfläche, d.h. auf der Seite des zu beleuchtenden Objektes eines Lichtleiters angeordnet, um das aus dem Lichtleiter austretende Licht über einen größeren Bereich zu verteilen. Ein Problem bei diesen bekannten optischen Beleuchtungssystemen besteht darin, daß das von der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters in einen großen Winkelbereich emittierte Licht an der Innenseite des äußeren Umfangsteils der Frontlinsenoptik gestreut und dadurch verloren geht oder totalreflektiert und dadurch in den mittleren Bereich oder zum Lichtleiter gelangt, so daß der äußere Bereich des Gesichtsfeldes nicht genügend Licht erhält, um eine gleichmäßige Beleuchtung in einem großen Bereich zu gewährleisten. Zur Lösung dieses Problems ist es beispielsweise aus der JA- UM-OS 57-170701 bekannt, die lichtleiterseitige Oberfläche

einer Frontlinse (Konkavlinse) als zusammengesetzte Fläche auszubilden, die aus einem sphärischen Mittelteil und einem konischen Umfangsteil besteht. Hierdurch wird zwar die Richtung des Hauptstrahles des Lichtes, das unter einem großen Winkel von der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters emittiert wird, geändert, das Problem der Totalreflexion an der Innenfläche des Außenumfangs der Frontlinse ist jedoch hinsichtlich der Strahlen an der äußeren Seite nicht gelöst. Auch mit dieser bekannten Konstruktion ist es also nicht möglich, eine gleichmäßige Beleuchtung in einem großen Bereich zu erreichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein optisches Beleuchtungssystem für Endoskope anzugeben, das eine gleichmäßige und ausreichend helle Beleuchtung in einem großen Bereich gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Gemäß der Erfindung wird also die Objektseite einer Frontlinse in Richtung auf das zu beleuchtende Objekt hin konvex und asphärisch ausgebildet, so daß es dem in diese Linse eintretenden Licht kaum möglich ist, an der äußeren Umfangsflache nach innen gestreut oder totalreflektiert zu werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Frontlinse eine negative Linse oder Zerstreuungslinse, bei der die Krümmung des Umfangsbereiches der Fläche, die der das Beleuchtungslicht emittierenden Vorrichtung zugewandt ist, eine

größere Krümmung hat als der mittlere Bereich. In
diesem Falle kann die Krümmung des Umfangsbereiches
der objektseitigen Oberfläche der Frontlinse kleiner
sein als die des mittleren Teiles.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Frontlinse eine positive oder Sammellinse aus einem optisch inhomogenen Medium, wobei der Brechungsindex des Umfangsteils größer als der des mittleren Teils ist. Die Bündelaufweitung wird daher kleiner und das Licht wird effektiv genutzt.

Das oben erwähnte Ziel kann auch dadurch erreicht werden, daß man die Oberfläche der Objektseite einer Frontlinse als konvexe sphärische Fläche ausbildet und die Linse aus einem inhomogenen optischen Medium macht, bei der der Brechungsindex des Umfangsteiles größer als der des mittleren Teiles ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt des vorderen Teiles eines optischen Beleuchtungssystems eines Endoskops gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 die Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke vom Emissionswinkel für das Beleuchtungssystem gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 bis 15 entsprechende Ansichten weiterer Ausführungsformen der Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte optische Beleuchtungssystem enthält einen Lichtleiter 1, z.B. einen Faserbündellichtleiter, und eine Schutz-, Abdeck-, Vorder- oder Frontlinse 2, in diesem Falle eine negative oder Zerstreuungslinse, die vor, d.h. auf der Objektseite einer Lichtaustrittsfläche 1a des Lichtleiters 1 angeordnet ist und deren objektseitige Oberfläche 2a eine konvexe asphärische Fläche ist, welche aus einem asphärischen Umfangsteil 2a¹ großer Krümmung und einem ebenen mittleren Teil 2a" (Krümmung 0) besteht. Die dem Lichtleiter 1 zugewandte Oberfläche 2b ist eine konkave sphärische Fläche. Ein Hauptstrahl A und ein unterer bzw. äußerer Strahl B des aus der Lichtaustrittsfläche 1a des Lichtleiters 1 in einen großen Winkelbereich emittierten Lichtes gehen also durch den asphärischen Umfangsteil 2a¹ , so daß sie den Umfangsbereich des Gesichtsfeldes beleuchten und nicht an der Innenseite des äußeren Umfangsteils der Frontlinse 2 gestreut oder totalreflektiert werden. Dadurch ergibt sich eine im wesentlichen trapezförmige Verteilung der Lichtintensität oder Beleuchtungsstärke, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, und es ist eine gleichförmige Beleuchtung in einem großen Bereich gewährleistet.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist der mittlere Teil 2a" der objektseitigen Oberfläche 2a der Frontlinse 2 als konkave Fläche ausgebildet, im übrigen entspricht die Konfiguration jedoch der des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1.

Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem die dem Lichtleiter 1 zugewandte Fläche 2b der Frontlinse 2 als asphärische Fläche ausgebildet ist, so daß der Grad

des von der Lichtaustrittsfläche 1a des Lichtleiters 1 unter einem großen Winkel zur optischen Achse emittierten Lichtes verringert und dadurch der äußere Strahl B für die Beleuchtung nutzbar gemacht wird; ferner kann der Durchmesser der Frontlinse 2 kleiner als bei dem obenerwähnten Ausführungsbeispiel gemacht werden. Im übrigen entspricht die Konfiguration diesem Ausführungsbeispiel.

Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform des vorliegenden optischen Beleuchtungssystems, bei dem die objektseitige Oberfläche 2a der Frontlinse 2 als konvexe sphärische Fläche ausgebildet ist und die lichtleiterseitige Oberfläche 2b der Frontlinse 2 eine konkave asphärische Fläche ist, so daß sich insgesamt eine negative oder Zerstreuungslinse ergibt.

Fig. 6 zeigt eine fünfte Ausführungsform, bei der die objektseitige Oberfläche 2a der Frontlinse 2 eine konvexe asphärische Fläche ist und die lichtleiterseitige Oberfläche 2b der Frontlinse 2 eben ist. Ferner ist das optische Medium der Linse inhomogen und zwar ist der Brechungsindex im Umfangsbereich größer als im mittleren Bereich, so daß die Linse als Zerstreuungslinse wirkt.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel ist die objektseitige Oberfläche 2a der Frontlinse eine konvexe sphärische Fläche, im übrigen entspricht die Konfiguration und Ausgestaltung dem vorstehend beschriebenen fünften Ausführungsbeispiel.

Fig. 8 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel, bei dem die Frontlinse 8 eine negative oder Zerstreuungslinse aus einem inhomogenen Medium ist, dessen Brechungs-

index im Umfangsbereich größer als dem mittleren Bereich ist, so daß das vom mittleren Bereich der Lichtaustrittsfläche 1a des Lichtleiters 1 emittierte Licht mehr nach außen gebrochen wird. Die objektseitige Oberfläche 2a ist eine konvexe asphärische Fläche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel und die lichtleiterseitige Oberfläche 2b ist eine konkave sphärische Fläche oder eine konkave asphärische Fläche.

Fig. 9 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel, bei die Frontlinse eine Zerstreuungslinse aus einem inhomogenen optischen Medium ist, das im Umfangsbereich einen höheren Brechungsindex als im mittleren Bereich hat, so daß das vom mittleren Bereich der Lichtaustrittsfläche 1a des Lichtleiters 1 emittierte Licht mehr in den Umfangsbereich gerichtet wird. Diese AusfUhrungsform unterscheidet sich von der des siebten Ausführungsbeispiels darin, daß die objektseitige Oberfläche als konvexe sphärische Fläche ausgebildet ist.

Bei den oben erwähnten Ausführungsbeispielen 5 bis, 8 (Fig. 6 bis 9) wird sich der Weg der paraxialen Strahlen, die durch die aus einem inhomogenen Medium bestehende konkave Frontlinse 2 gehen, sich stetig in Richtung auf den Umfangsbereich krümmen, die Strahlhöhe wird im Verlauf also niedriger sein als im Falle, daß der Strahlweg geradlinig ist wie in einer homogenen Zerstreuungslinse, und man erhält dadurch den Vorteil, daß kaum Abdunkelungen auftreten können.

Bei dem in Fig. 10 dargestellten neunten Ausführungsbeispiel ist die Frontlinse 3 eine positive oder Sammellinse, deren objektseitige Oberfläche 3a eine konvexe asphärische Fläche ist, welche aus einem Umfangsteil 3a¹ kleiner Krümmung und einem Mittelteil 3a" großer Krümmung besteht; die dem Lichtleiter 1 zugewandte Oberfläche 3b ist eben und kann am Lichtleiter anliegen.

Fig. 11 zeigt ein zehntes Ausführungsbeispiel, bei dem die objektseitige Oberfläche 3a der Frontlinse 3 eine konvexe sphärische Fläche oder eine konvexe asphärische Fläche ist, während die dem Lichtleiter 1 zugewandte Oberfläche 3b eine konvexe asphärische Oberfläche ist, die aus einem Umfangsbereich 3b kleiner Krümmung und einem mittleren Bereich 3b" großer Krümmung besteht.

Das in Fig. 12 dargestellte elfte Ausführungsbeispiel enthält eine Frontlinsenoptik mit zwei Frontlinsen 3, 3', bei denen es sich um zwei Konvexlinsen handelt, deren eine Oberfläche 3a eine konvexe asphärische Fläche mit einem Umfangsteil kleiner Krümmung und einem Mittelteil großer Krümmung ist und die andere Oberfläche 3b eine konvexe sphärische oder asphärische Fläche ist. Die beiden Linsen 3 können mit axialem Abstand so angeordnet sein, daß sich die Flächen 3a gegenüberliegen.

Bei den oben erwähnten Ausführungsbeispielen 9 bis 11 ist die Frontlinse 3 eine Sammellinse, bei der die Krümmung im Umfangsbereich kleiner als im mittleren Bereich ist, so daß die Aufweitung des aus der Frontlinse 3 austretenden Bündels kleiner ist und praktisch keine Strahlabschattierung auftreten kann.

Fig. 13 zeigt ein zwölftes AusfUhrungsbeispiel eines optischen Beleuchtungssystems für ein Endoskop, bei die Frontlinse 3 eine Positiv- oder Sammellinse aus einem inhomogenen Medium ist, das im Umfangsbereich einen höheren Brechungsindex hat als im mittleren Bereich, so daß das vom mittleren Teil der Lichtaustrittsfläche 1a des Lichtleiters 1 emittierte Licht zum Umfangsbereich gelenkt wird; im übrigen ist die Konfiguration die gleiche wie beim neunten Ausführungsbeispiel.

Das in Fig. 14 dargestellte dreizehnte Ausführungsbei
spiel stimmt mit dem zwölften Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 überein mit der Ausnahme, daß die objektseitige Oberfläche 3a der Frontlinse 3 eine konvexe sphärische Fläche ist.

Fig. 15 zeigt ein vierzehntes Ausführungsbeispiel, bei dem anstelle des Lichtleiters 1 des zwölften Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 13 eine Licht emittierende bzw. Licht erzeugende Einrichtung 4 verwendet wird, insbesondere eine elektrooptisch^ Einrichtung wie eine Lumineszenzdiode. Selbstverständlich kann eine solche Licht erzeugende Einrichtung 4 auch bei den anderen Ausfuhrungsbeispielen, die oben erläuert wurden, anstelle des Lichtleiters 1 verwendet werden. Solche Ausgestaltungen eignen sich besonders für Endoskope, bei denen die Spitze beweglich ist.

Bei dem oben erwähnten zwölften und dreizehnten Ausführungsbeispiel wird sich der Weg der Lichtstrahlen durch die Frontlinse 3, die eine aus einem inhomogenen optischen Medium bestehende Sammellinse ist, sich allmählich zum Umfangsbereich krümmen, so daß die Strahlhöhe im Verlauf niedriger wird als bei einem geradlinigen Strahlverlauf in einer homogenen Sammellinse, und es ergibt sich dadurch der Vorteil, daß nicht

so leicht Abdunklungen oder Abschattierungen auftreten.

Die Frontlinsen 2 und 3 des vorliegenden Beleuchtungssystems werden vorzugsweise in einfacher Weise durch Frompressen oder Gießen von Glas- oder Kunststoff hergestellt.

Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen optischen Beleuchtungssysteme für Endoskope haben den für die Praxis wichtigen Vorteil, daß eine gleichmäßige Beleuchtung in einem großen Bereich gewährleistet werden kann.

Claims

Patentansprüche

1. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop, bei welchem eine Frontlinse (2, 3) auf der Objektseite einer Vorrichtung (1), die Licht zum Beleuchten eines Objektes emittiert, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die objektseitige Oberfläche (2a, 3a) der Frontlinse (2, 3) eine zum Objekt hin konvexe, asphärische Fläche ist.

2. Optisches Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Frontlinse eine Zerstreuungslinse (2) ist und daß die Krümmung des Umfangsteiles der objektseitigen Oberfläche der Frontlinse größer als die des mittleren Teiles der objektseitigen Oberfläche der Frontlinse ist.

3. Optisches Beleuchtungssystem nach Anspruch ι, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontlinse eine Sammellinse (2, 3) ist und daß die Krümmung des Umfangsteils der objektseitigen Oberfläche der Frontlinse kleiner als die Krümmung des mittleren Teiles der Objektseite der Frontlinse ist.

4. Optisches Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Umfangsteils der Frontlinse größer ist als der Brechungsindex des mittleren Teils der Frontlinse.

5. Optisches Beleuchtungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die objektseitige Oberfläche (2a) der Frontlinse (2) eine zum Objekt hin konvexe asphärische Fläche (2a¹) aufweist und im mittleren Teil (2a") zum Objekt hin konkav ist.

6. Optisches Beleuchtungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die objektseitige Oberfläche (2a, 3a) der Frontlinste (2, 3) eine zum Objekt hin konvexe sphärische Oberfläche aufweist und daß das die Frontlinse bildende Medium derart inhomogen ist, daß der Brechungsindex des Umfangsteiles größer als der des mittleren Teiles ist.

7. Optisches Beleuchtungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die objektseitige Oberfläche (3a) der Frontlinse (3) zum Objekt hin konvex ist und daß die Oberfläche (3b), die der das Beleuchtungslicht emittierenden Vorrichtung (1) zugewandt ist, eine zu dieser hin konvexe asphärische Fläche ist.

8. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop, bei welchem ein optisches Vorderglied auf der Objektseite einer Vorrichtung, die zum Beleuchten dienendes Licht emittiert, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daiB das optische Vorderglied aus einer ersten Sammellinse (3), deren objektseitige Oberfläche im Umfangsbereich eine kleinere Krümmung hat als im mittleren Bereich, und aus einer zweiten Sammellinse (3) deren objektseitige Oberfläche zum Objekt hin konvex ist und deren zur Lichtemittierenden Vorrichtung hinweisende Oberfläche eine zu dieser hin konvexe asphärische F'läche ist, besteht.

9. Optisches Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen aus Glas oder Kunststoff bestehen.

10. Optisches Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dar; Beleuchtungslicht emittierende Vorrichtung eine Licht emittierende elektrisch-optische Vorrichtung (4) ist.