DE3515809C2

DE3515809C2 -

Info

Publication number: DE3515809C2
Application number: DE3515809A
Authority: DE
Inventors: Akira Yokota; Masao Hachiouji Tokio/Tokyo Jp Kuga
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1984-05-02
Filing date: 1985-05-02
Publication date: 1987-07-16
Also published as: DE3515809A1; JP2593430B2; JPS60232525A; US4929070A

Description

Die Erfindung betrifft optische Beleuchtungssysteme für ein Endoskop.

Bei einem bekannten optischen Beleuchtungssystem dieser Art ist eine Schutz-, Abdeck- oder Frontlinse vor der Lichtaus trittsfläche, d.h. auf der Seite des zu beleuchtenden Objek tes eines Lichtleiters angeordnet, um das aus dem Lichtleiter austretende Licht über einen größeren Bereich zu verteilen. Ein Problem bei diesen bekannten optischen Beleuchtungs systemen besteht darin, daß das von der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters in einen großen Winkelbereich emittierte Licht an der Innenseite des äußeren Umfangsteils der Front linsenoptik gestreut und dadurch verloren geht oder total reflektiert und dadurch in den mittleren Bereich des Gesichts feldes nicht genügend Licht erhält, um eine gleichmäßige Be leuchtung in einem großen Bereich zu gewährleisten. Zur Lösung dieses Problems ist es beispielsweise aus der JP-GM-OS 57-170701 bekannt, die lichtleiterseitige Oberfläche einer Frontlinse (Konkavlinse) als zusammengesetzte Fläche auszu bilden, die aus einem sphärischen Mittelteil und einem koni schen 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 gleich mäßige Beleuchtung in einem großen Bereich zu erreichen.

In der DE-OS 31 48 599 ist ein optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop beschrieben, bei dem eine Frontlinse auf der Objektseite einer Vorrichtung, die Licht zum Beleuchten eines Objekts emittiert angeordnet ist und auf der Objektseite eine konvexe Oberfläche aufweist. Deren Umfangsfläche ist als totalreflektierende Fläche ausgebildet, um das unter großen Winkeln aus der Beleuchtungsvorrichtung austretende Licht in das Sehfeld eines Betrachtungssystems zu reflektieren. Durch dieses Beleuchtungssystem läßt sich zwar in der Mitte des Sehfeldes eine relativ hohe Beleuchtungsstärke erreichen, jedoch besteht der Nachteil, daß die Beleuchtungsstärke nach den Seiten sehr stark abfällt, also sehr unausgeglichen ist.

In der US-PS 44 15 240 ist ein optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop beschrieben, bei dem ein aus zwei konvexen Linsen bestehendes Frontobjektiv auf der Objektseite einer Vorrichtung, die Licht zum Beleuchten eines Objekts emittiert, angeordnet ist, wobei auch hier die Umfangsflächen der Linsen als totalreflektierende Flächen ausgebildet sind, um das unter großen Winkeln aus der Beleuchtungsvorrichtung aus tretende Licht in das Sehfeld des Betrachtungssystems zu re flektieren. Auch hier besteht der Nachteil, daß die Vertei lung der Beleuchtungsstärke mit dem Austrittswinkel aus dem Beleuchtungssystem sehr stark variiert, also sehr ungleich mäßig ist.

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

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen gekenn zeichnete Erfindung gelöst.

Gemäß der Erfindung wird also die Objektseite einer Front linse 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 Umfangs fläche nach innen gestreut oder totalreflektiert zu werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Frontlinse eine negative Linse oder Zer streuungslinse, 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 Um fangsbereiches 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 Um fangsteils größer als der des mittleren Teils ist. Die Bündel aufweitung 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 Brechungs index 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 Emis sionswinkel für das Beleuchtungssystem gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 bis 15 entsprechende Ansichten weiterer Ausfüh rungsformen der Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte optische Beleuchtungssystem enthält einen Lichtleiter 1, z.B. einen Faserbündel lichtleiter, und eine Schutz-, Abdeck-, Vorder- oder Frontlinse 2, in diesem Falle eine negative oder Zerstreuungslinse, die vor, d.h. auf der Objektseite einer Lichtaustrittsfläche 1 a des Lichtleiters 1 angeord net ist und deren objektseitige Oberfläche 2 a eine konvexe asphärische Fläche ist, welche aus einem asphäri schen Umfangsteil 2 a′ großer Krümmung und einem ebenen mittleren Teil 2 a′′ (Krümmung 0) besteht. Die dem Lichtleiter 1 zugewandte Oberfläche 2 b ist eine konkave sphärische Fläche. Ein Hauptstrahl A und ein unterer bzw. äußerer Strahl B des aus der Lichtaustrittsfläche 1 a des Lichtleiters 1 in einen großen Winkelbereich emittierten Lichtes gehen also durch den asphärischen Umfangsteil 2 a′, so daß sie den Umfangsbereich des Gesichtsfeldes beleuchten und nicht an der Innenseite des äußeren Umfangsteils der Frontlinse 2 gestreut oder totalreflek tiert werden. Dadurch ergibt sich eine im wesentlichen trapezförmige Verteilung der Lichtintensität oder Be leuchtungsstärke, 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 Ausführungsbei spiel ist der mittlere Teil 2 a′′ der objektseitigen Oberfläche 2 a 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 2 b der Frontlinse 2 als asphärische Fläche ausgebildet ist, so daß der Grad des von der Lichtaustrittsfläche 1 a des Lichtleiters 1 unter einem großen Winkel zur optischen Achse emittier ten 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 vorliegen den optischen Beleuchtungssystems, bei dem die objekt seitige Oberfläche 2 a der Frontlinse 2 als konvexe sphärische Fläche ausgebildet ist und die lichtleiter seitige Oberfläche 2 b 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 2 a der Frontlinse 2 eine konvexe asphärische Fläche ist und die lichtleiter seitige Oberfläche 2 b 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 Ausführungsbei spiel ist die objektseitige Oberfläche 2 a 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 Zerstreuungs linse aus einem inhomogenen Medium ist, dessen Brechungs index im Umfangsbereich größer als dem mittleren Bereich ist, so daß das vom mittleren Bereich der Lichtaustrittsfläche 1 a des Lichtleiters 1 emittierte Licht mehr nach außen gebrochen wird. Die objektseitige Oberfläche 2 a ist eine konvexe asphärische Fläche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel und die lichtlei terseitige Oberfläche 2 b ist eine konkave sphärische Fläche oder eine konkave asphärische Fläche.

Fig. 9 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel, bei die Frontlinse eine Zerstreuungslinse aus einem inhomoge nen optischen Medium ist, das im Umfangsbereich einen höheren Brechungsindex als im mittleren Bereich hat, so daß das vom mittleren Bereich der Lichtaustritts fläche 1 a des Lichtleiters 1 emittierte Licht mehr in den Umfangsbereich gerichtet wird. Diese Ausführungs form unterscheidet sich von der des siebten Ausführungs beispiels 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 Strahl höhe 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 Ausführungsbei spiel ist die Frontlinse 3 eine positive oder Sammellin se, deren objektseitige Oberfläche 3 a eine konvexe asphärische Fläche ist, welche aus einem Umfangsteil 3 a′ kleiner Krümmung und einem Mittelteil 3 a′′ großer Krümmung besteht; die dem Lichtleiter 1 zugewandte Oberfläche 3 b ist eben und kann am Lichtleiter anliegen.

Fig. 11 zeigt ein zehntes Ausführungsbeispiel, bei dem die objektseitige Oberfläche 3 a der Frontlinse 3 eine konvexe sphärische Fläche oder eine konvexe asphärische Fläche ist, während die dem Lichtleiter 1 zugewandte Oberfläche 3 b eine konvexe asphärische Oberfläche ist, die aus einem Umfangsbereich 3 b kleiner Krümmung und einem mittleren Bereich 3 b′′ 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 3 a eine konvexe asphärische Fläche mit einem Umfangsteil kleiner Krümmung und einem Mittelteil großer Krümmung ist und die andere Oberfläche 3 b eine konvexe sphärische oder asphärische Fläche ist. Die beiden Linsen 3 können mit axialem Abstand so angeordnet sein, daß sich die Flächen 3 a 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 austreten den Bündels kleiner ist und praktisch keine Strahlab schattierung auftreten kann.

Fig. 13 zeigt ein zwölftes Ausführungsbeispiel 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 Lichtaus trittsfläche 1 a des Lichtleiters 1 emittierte Licht zum Umfangsbereich gelenkt wird; im übrigen ist die Konfiguration die gleiche wie beim neunten Ausführungs beispiel.

Das in Fig. 14 dargestellte dreizehnte Ausführungsbei spiel stimmt mit dem zwölften Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 überein mit der Ausnahme, daß die objekt seitige Oberfläche 3 a 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 emittieren de bzw. Licht erzeugende Einrichtung 4 verwendet wird, insbesondere eine elektrooptische Einrichtung wie eine Lumineszenzdiode. Selbstverständlich kann eine solche Licht erzeugende Einrichtung 4 auch bei den anderen Ausführungsbeispielen, 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 Ausfüh rungsbeispiel 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 Sammellin se, und es ergibt sich dadurch der Vorteil, daß nicht so leicht Abdunklungen oder Abschattierungen auftreten.

Die Frontlinsen 2 und 3 des vorliegenden Beleuchtungssy stems werden vorzugsweise in einfacher Weise durch Formpressen 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 Beleuch tung in einem großen Bereich gewährleistet werden kann.

Claims

1. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop, bei dem eine Frontlinse auf der Objektseite einer Vorrichtung, die Licht zum Beleuchten eines Objekts emittiert, angeordnet ist und objektseitig eine konvexe Oberfläche aufweist, da durch gekennzeichnet, daß die Frontlinse (2, 3) insgesamt eine negative Brechkraft hat und die konvexe Oberfläche (2 a, 3 a) auf der Objektseite der Frontlinse als asphärische Oberfläche geformt ist, deren Krümmung im Umfangs teil größer ist als im Mittelteil.

2. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop, bei dem eine Frontlinse auf der Objektseite einer Vorrichtung, die Licht zum Beleuchten eines Objekts emittiert, angeordnet ist und objektseitig eine konvexe Oberfläche aufweist, da durch gekennzeichnet, daß die Frontlinse (2, 3) insgesamt eine positive Brechkraft hat und die konvexe Oberfläche (2 a, 3 a) auf der Objektseite der Frontlinse als asphärische Oberfläche geformt ist, deren Krümmung im Umfangs teil geringer ist als im Mittelteil.

3. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop, bei dem eine Frontlinse auf der Objektseite einer Vorrichtung, die Licht zum Beleuchten eines Objekts emittiert, angeordnet ist und objektseitig eine konvexe Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelteil (2 a, 2′) der Oberfläche auf der Objektseite der Frontlinse als konkave asphärische Oberfläche geformt ist.

4. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelteil als konkave asphärische Oberfläche geformt ist.

5. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der das Beleuchtungslicht emittierenden Vorrichtung zugewandte Seite der Frontlinse als konkave sphärische Oberfläche geformt ist.

6. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der das Beleuchtungslicht emittierenden Vorrichtung zuge wandte Seite der Frontlinse als konkave asphärische Oberfläche geformt ist, deren Krümmung im Umfangsteil geringer ist als im Mittelteil.

7. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der das Beleuch tungslicht emittierenden Vorrichtung zugewandte Seite der Frontlinse als ebene Oberfläche geformt ist.

8. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop, bei dem eine Frontlinse auf der Objektseite einer Vorrichtung, die Licht zum Beleuchten eines Objekts emittiert, angeord net ist und objektseitig eine konvexe Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Front linse insgesamt eine positive Brechkraft hat und daß die der das Beleuchtungslicht emittierenden Vorrichtung zuge wandte Seite der Frontlinse als eine konvexe, asphärische Oberfläche geformt ist, deren Krümmung im Umfangsteil ge ringer ist als im Mittelteil.

9. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe Ober fläche auf der Objektseite der Frontlinse als sphärische Oberfläche geformt ist.

10. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe Oberfläche auf der Objektseite der Frontlinse als asphärische Oberfläche geformt ist, deren Krümmung im Umfangsteil geringer ist als im Mittelteil.

11. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das die Frontlinse bildende Medium derart inhomogen ist, daß der Brechungsindex des Umfangsteils größer ist als der des mittleren Teils.

12. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop, bei dem eine Frontlinse auf der Objektseite einer Vorrichtung, die Licht zum Beleuchten eines Objekts emittiert, angeordnet ist und objektseitig eine konvexe Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das die Frontlinse bildende Medium derart inhomogen ist, daß der Brechungsindex des Umfangsteils größer ist als der des Mit telteils.

13. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche auf der Objektseite der Frontlinse als konvexe sphärische Ober fläche geformt ist.

14. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die der das Beleuchtungslicht emittierenden Vorrichtung zugewandte Seite der Frontlinse als ebene Oberfläche geformt ist.

15. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop, bei dem ein aus zwei bikonvexen Linsen bestehendes Frontobjektiv auf der Objektseite einer Vorrichtung, die Licht zum Beleuchten eines Objekt emittiert, angeordnet ist, dadurch ge kennzeichnet, daß die einander gegenüberstehenden Oberflächen der beiden Linsen als asphärische Oberflächen ge formt sind, deren Krümmung im Umfangsteil geringer ist als im Mittelteil.

16. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop nach An spruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die übrigen Oberflächen der beiden Linsen als konvexe sphärische Oberflächen geformt sind.

17. Optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das eine der beiden Linsen bildende Medium derart inhomogen ist, daß der Brechungsindex des Umfangsteils größer ist als der des mittleren Teils.