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Beleuchtungsvorrichtung für Endoskope Die Erfindung betrifft eine
Beleuchtungsvorrichtung für Endoskope, bei der ein lichtdurchlässiger Stab nach
dem Innern der zu erhellenden Körperhöhlung die Strahlen einer außerhalb dieser
gelegenen Lichtquelle unter einem großen Feldwinkel, z. B. von 50° oder mehr, überträgt,
und bezweckt die Erzielung einer Steigerung der Helligkeit der Ausleuchtung der
in direkter oder seitlicher Sicht betrachteten Höhlung, insbesondere; bei Endoskopen,
bei denen ein: Kondensor, von großer Öffnung und eine reflektierende Fläche das
Bild der Lichtquelles auf oder unmittelbar nahe dem der Lichtquelle: benachbarten
Ende des lichtdurchlässigen Stabes entstehen lassen und dieses senkrecht zur Stablängsachse
zugeschnitten ist.
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Da bei dieser Art der Endoskopbeleuchtung die Strahlen einer seitlich
von einem geraden lichtdurchlässigen und lichtleitenden Stab angeordnetem äußeren
Lichtquelle am einen Stabende konzentriert und zur Abbildung der Lichtquelle veranlaßt
werden, ergibt sich, d.a,ß die richtigste und besteAnordnung der, Teile der Beleuchtungsvorrichtung
dem Fall entspricht, wo die durch das optische System erzielte Vergrößerung gleich
eins ist, d. h. wo das Bild der Lichtquelle die gleiche Größe wie diese selbst hat
und die gleichen Abmessungen, wie das als Ort seiner Entstehung in Betracht kommende
Stabende aufweist.
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Das Strahlenbündel pflanzt sich dabei nach. Reflexion an einem ihm
seine Öffnung bewahrenden. Flintglasprismen mit einem Flächenwinkel von 90° längs
des Stabes aus lichtdurchlässigem We;rkstoff fort und erreicht das andere Stabende
nach einer der Größe seiner Öffnung entsprechenden Zahl von Reflexionen an der Wandung
des Stabes. Die hierdurch übertragene Lichtmenge hängt von dem Wert des Reflexionskoeffizienten
der Stabwandung und von dem Wert des Lichtübertragungskoeffizienten des Staubwerkstoffes
ab, weshalb sich dies Verwendung eines Stabes aus sehr lichtdurchlässigem Werkstoff
empfiehlt, wofür sich geschmolzenes Kieselerde, praktisch als besonders geeignet
erwiesen: hat.
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Die optimalen Bedingungen für die Reflexionen an der Stabwandung entsprechen
der totalen Reflexion, für die der Reflexionskoeffizient gleich der Einheit ist.
Daher erscheint es zunächst vorteilhaft, einen von jeder Umkleidung freien., blanken
lichtdurchlässigen Stab in. Betracht zu ziehen, dessen Benutzung aber in der Praxis
bei einem Strah.lenhündel von großer Öffnung deswegen auf ernste Schwierigkeiten
stößt, weil er sich bei der Benutzung des Endoskops mit Dampf, Fett und anderen
Ablagerungen bedeckt, wodurch der Wirkungsgrad der Lichtübertragung stark vermindert
wird.
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Man. hat daher schon vorgeschlagen, den lichtdurchlässigen Stab mit
einem metallischen reflektierenden ,Niederschlag zu überziehen. Für die Reflexion
gilt dann der zwischen dem lichtdurchlässigen Werkstoff des. Stabes, und dem Metallniederschlag
bestehende Reflexionskoeffizient. Selbst bei stärkst reflektierenden metallischen
Auflagen auf dem Stab wird aber die, Strahlungintensität an dem in. die Körperhöhlung
einzuführenden. Stabende beträchtlich infolge der großen Zahl von Reflexionen an.
der Stabwandung geschwächt. Noch schlechter wird die Lich.tübertragungswirkung des
Stabes., wenn man. diesen, ohne reflektieiremd.en Metallniederschlag in das Innere
einer umschließenden metallischen: Hüllet einklebt, da, infolge Zunahme des begrenzenden
Winkels eine totale Reflexion, nur für ein Strah;lenbün.d.el von geringer Öffnung
auftritt und die einer größeren Öffnung entsprechenden Lichtstrahlen sich in der
Klebemittelschicht brechen und durch die metallische Hülle verschluckt werden.
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Will man ein gleichförmig ausgeleuchtetes Betrachtungsfeld erzielen,
so muß dies Gesamtheit des Querschnittes des lichtdurchlässigen. Stabes; der die
von der Lichtquelle kommenden Strahlen empfängt, selbst gleichmäßig beleuchtet werden.
Da theoretisch gilt, daß mehr- Licht durch eine gerade als durch eine gekrümmte
Strahlenführung übertragen wird, enpfiehlt es sich daher, nach Möglichkeit einen
geraden lichtdurchlässigen Stab, z. B. aus geschmalzener
Kieselerden,
zu benutzen. Für manche, Anwendungsfälle aber, insbesondere bei der Magenuntersuchung,
ist unbedingt ein nachgiebiger und verformbarer Lichtfüh.rungskörper erforderlich
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Nach der Erfindung wird nun für Endoskope- eine die Helligkeit der
Ausleuchtung der zu betrachtenden Körperhöhlung wesentlich steigernde Beleuchtungsvorrichtung
unter Verwendung eines nach dem Innern der Höhlung die-Strahlen einer außerhalb
gelegenen Lichtquelle übertragenden, lichtdurchlässigen. Stabes dadurch geschaffen,
daß- die Seitenteile des Stabes von dessen, beiden Enden. aus auf eine kurze Strecke
fe mit einem reflektierenden Niederschlag bedeckt sind und der Stab in einer dichten.
Hülle eingeschlossen und mit dieser durch. eine zwischen. ihr und den metallisch
umkleideten Stabenden vorgesehene ebenfalls dichte Verbindung vereinigt sowie zwischen
Stab und Hülle ein mit-einem trockenen, Gas gefüllter Zwischenraum frei gelassen
ist. Die dichte! Hülle schützt den lichtdurchlässigen, Stab gegen die Anlagerung
von Feuchtigkeitsdampf, Fett, Staub und anderen lichtabsorbierenden Körpern. Die
dichte Verbindung zwischen der Hülle und den mit Metall bedeckten beeiden Endteilen,
des Stabes wird beispielsweise durch Leim, Zement, Gummi oder ein ähnliches Klebemittel
erreicht.
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Der zur Lichtübertragung und Strahlenführung dienende Stab aus lichtdurchlässigem
Werkstoff kann erfindungsgemäß auch-eine das Endoskoprohr nicht bis an dessen. freies
Ende ausfüllende Länge erhalten und in diesem Rohrende dann ein ebener oder gekrümmter
oder facettierter Spiegel vorgesehen sein, und Stab und Spiegel können: dabei zur
Reflektierung eines Teiles. der aus der Stabswandung austretenden Lichtstrahlen
an der Spiegelfläche und damit zur Vergrößerung des bestehenden Feldes in dein Körperhöhle
zusammenarbeiten. Auch kann an dem Ende des optischen Systems des Endoskops ein
Spiegel oder ein Prisma angeordnet sein,, um die Lichtstrahlen. zwecks Erleichterung
des seitlichen Beobachtens oder Besehens zu reflektieren oder abzulenken.
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Weiterhin kann nach der Erfindung der lichtdurchlässige Stab so ausgebildet
sein, dali sich für die Gesamtheit des das Licht empfangenden Stabquerschnittes.
eine gleichförmige Beleuchtung ergibt, was insbesondere dadurch erreicht werden,
kann, daß die Eintrittsfläche nach dem Einbau plan gedreht wird und keinerlei Abschrägung
oder Fassung erhält. Ferner kann der die Strahlen dein Lichtquelle führende und
weiterleitende Stab erfindungsgemäß auch, aus mehreren im Innern einer Hülle hintereinanderliegenden
Stücken zusammengesetzt sein, von denen jedes frei von Abschrägung, Fassung oder
Blende ist und mindestens eines aus biegsamem lichtdurchlässigem Werkstoff bestellt.
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Die Zeichnung veranschaulicht die Endoskopbeleuchtungsvorrichtung
nach dein Erfindung und deren lichtleitenden und lichtübertragenden Stab beispielsweise
in einigen Ausführungsformen..
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Fig. 1 ist ein Achsschnitt durch einen von einer Hülle umschlossenen
und mit dieser fest verbundenen lichtdurchlässigen Stab; die Ausbildung des in,
die Körperhöhlung einzuführenden Endes eines Lichtübertragungsstabes zeigt Fig.
2 a für den Fall des direkten, d. h. geraden Besehens der Höhlung und Fig. 2b für
den Fall der seitlichen, d. h. eine Ausleuchtung der Seitenwandung der Körperhöhle
erfordernden Betrachtung; Fig. 3 gibt im Querschnitt die Ergänzung des liehtdurchlässigen.
Stabes durch. einen ebenfalls in das Endoskoprohr eingebauten Spiegel wieder; Fig.
4 und 5 lassen im Längsschnitt je das in: die Körperhöhlung einzuschiebende Ende
eines Endoskoprohres erkennen, in welchem sich, an den Lichtübertragungsstah für
die seitliche Betrachtung der Höhlung ein die Strahlen auf die zu besehende Zone
lenkender Spiegel bzw. ein in gleicher Weise wirkendes Prisma anschließt; Fig. 6
zeigt im Achsschnitt einen unrichtig ausgeführten und daher Schattenzonen im Betrachtungsfeld
verursachenden Lichtübertragungsstab und Fig. 7 in Gegenüberstellung einen diesen
Übelstand %-crmeidenden richtig ausgebildeten, Strahlungsführungsstab; Fig. 8 veranschaulicht
im Längsschnitt einen biegsamen, aus mehreren Stücken zusammengesetzten lichtdurchlässigen
Stab.
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Gleiche Teile sind in allen. Figuren mit den nämlichen Bezugsziffern
bezeichnet.
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Gemäß Fig. 1 ist ein Stab 1 aus lichtdurchlässigem Werkstoff im Innern
einer ihn im Abstand umgebenden feuchtigkeitsdichten Hülle 2 vorgesehen und mit
dieser an den Enden fest verbunden; der dadurch zwischen Hülle und Stab gebildete
nach außen abge` schlossene Raum ist mit trockener Luft gefüllt. Der Stab 1 weist
an seinen beiden Enden 3 und 4 auf einen. kurzen Teil seiner Länge je einen reflektierenden
Niederschlag auf, der beispielsweise bei einem aus geschmolzener lichtdurchlässiger
Kieselerde bestehenden. Stab 1 durch eine Silberschicht 5 bzw. 6 gebildet sein kann,
die mit einer Kupferschicht 7 bzw. 8 bedeckt ist. Die innige Verbindung der mertallisie@;,t
Enden 3 und 4 des Stabes 1 mit der feuchtigkeitsdichten Hülle 2 ist mit Hilfe von
Leim, Zement, Kautschuk oder sonst einem Klebemittel erreicht.
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Will man eine regelmäßig um die Stabachse vezteilte Beleuchtung des
in die Körperhöhlung einzuführenden freiere Endes des lichtdurchlässigen Stabes
1 erzielen, so wird dieses Ende nach Fig. 2 a mit einer zur Längsachse senkrechten
polierten Abschlußfläche ausgebildet. Manchmal kann es voTteilhaft sein, der Achse
des Strahlenbündels eine um einen bestimmten. Winkel von der Stabachs.e abweichende
Richtung zu geben, was eine schräge Abschlußfläche gemäß Fig.1 bei dem freien Stabende
erfordert. Wenn eine seitliche Ausleuchtung der Körperhöhle erreicht werden soll,
kann man, wie Fig. 2b zeigt, das freie Ende des Stabes l nicht nur mit einer schrägen:
Abschlußfläche versehen, sondern diese auch noch mit einer reflektierenden Schicht
5 bedecken.
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Das in die Körperhöhlung erinzuschiebende freie Ende des Lichtübertragungsstabes
1 kann gemäß Fig.3 an seiner Abschlußfläche sowohl abgeschrägt als auch poliert
sowie ferner gegenüber dem mit gegensinniger Neigung geschnittenem. Ende des Endoskoprohres
9 um ein Stück zurückversetzt und in: denn dadurch von ihm frei gelassen Rohrteil
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durch. einen in diesen eingebauten., z. B. gekrümmten oder ebenen oder
mit Facetten, ausgebildeten Spiegel 11 ergänzt sein.
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Das in, das Endoskoprohr in der Regel eingebaute, die Beobachtung
und photographische Aufnahme ermöglichende optische System, das in manchen Ausführungen,
besonders für die seitliche Betrachtung und Aufnahme ausgebildet ist, kann, wie
Fig. 4 zeigt, an: seinem Ende des Endoskoprohres.9 befindlichen Schlußteil12 durch
einen mit einer reflektierenden Fläche 14 versehenen Körper 13 vervollständigt sein,`
der
mit dem sich an den lichtdurchlässigen; Stab 1 innerhalb des Rohres 9 anschließenden
Spiegel 11 zusammenwirkt, um den aus dem Stab austretenden Lichtstrom nach der zu
betrachtenden Zone zu lenken..
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Zum gleichen Zweck kann - vgl. Fig. 5 - an das Endglied 16 des in
dem Endoskopro$r 9 vorgesehenen optischen Systems ein Flintglasprisma 15 angesetzt
sein., das von denn aus dem lichtdurchlässigen, Stab 1 austretenden. Strahlen, unmittelbar
oder nach Reflexion an dem vorgeschalteten Spiegel 11 durchquert wird und diese
nach der Betrachtungszone der Wandung der Körperhöhle zur Erzielung einer darauf
konzentrierten, starken Belichtung lenkt.
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In. Fig.6 sind die ungünstigen Beleuchtungsverhältnisse veranschaulicht,
die sieh bei einem Strahlenübertragungsstab 1 ergeben, bei dem die Gesamtheit seiner
L.ieh:teintritts.fläche nicht gleichförmig bieleuch.tet ist. Wenn an dieser eine
weniger helle oder eine: dunkle Zone A vorhanden ist, werden. durch Reflexion an
der Wandung des Stabes 1 in der Ebene der Eintrittsfläche aufeinanderfolgende Bilder
A 1, A 2, A 3 usw. entstehen, von denen die am weitesten. von, der Zone A entfernten
Bilder der größten Zahl von Reflexionen entsprechen.
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In, der am Austrittsende des Stabes 1 gelegenen Ebene P projizieren
sich. die: Punkte A 1, A2, A3
usw. mit Bezug auf die als Pupille betrachtete
Austrittsfläche an, den. Stellen, A' 1, A' 2, A'3 usw. und ergeben. eine entsprechende
Zahl von dunklen Zonen. Diese dunklen Zonen sind um so stärker ausgeprägt, je geringer
die Zahl der Reflexionen - Mitte des Feldes - und je kleiner die Pupille, d. h.
je, größer das Verhältnis von Länge zu Durchmesser ist.
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Wenn die Zone A die Form eines Ringes hat., entsteht in. den. Stirnebenen
am Austrittsende des Stabes 1 eine Reihe von insbesondere in der Mitte des Feldes
sichtbaren Ringen A' 1, A'2, A'3 usw., die um so ausgeprägter erscheinen, je länger
der Stab bei einem gegebenen; Durchmesser ist. Derartige Ringe bilden sich vor allem,
wenn das Lichtbündel durch Blenden gesteuert wird oder wenn eine; Abschrägung am
Rand des Stabes vorhanden ist oder wenn dieser an seinem Eintrittsende eine Fassung
aufweist.
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Diese Ringe sind in Form von. dunklen Zonen in Fig. 6 wiedergegeben,
gemäß welcher der Stak 1 mit einer Fassung am Eintrittsende versehen: ist und daher
ein Lichtfeld mit ringförmigen dunklen: Bereichen liefert. Fig. 7 anderseits zeigt
einen von diesem Nachteil freien:, richtig ausgeführten lichtdurchlässigen Stab
1, der nach seinem Einbau. in. die, Hülle 2 an seiner Eintrittsfläche plan bearbeitet
worden: ist und ein gleichförmig beleuchtetes Feld und eine Lichtübertragung mit
großem Wirkungsgrad ergibt.
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Zur Erzielung eines starren Lichtleitungsstabes verwendet man mit
Vorteil eine gerade oder gebogene Stange aus geschmolzener Kieselerde. Dies ist
ein stark lichtdurchlässiger und leicht optisch an der Oberfläche bearbeitbarer
Körper, der außerdem die Eigenschaft besitzt, daß auf ihm ein aufgebrachter reflektierender
überzugsniederschlag, z. B. eine Silberschicht, sehr fest haftet. Innig am lichtdurchlässigen
Stab sich verankernde und dabei fehlerfreie reflektierende Überzüge sind aber an
den. mit der feuchtigkeitsdichten Hülle 2 feist zu verbfindenden Stabenden 3 und
4 unbedingt notwendig, um durch den Stab und die Auftragsschichten eine Strahlenübertragung
mit günstiger Lichtausbeute zu erreichen.
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Wenn ein biegsamer und verformbarer Lichtführungsstab, wie z. B. für
die Magenuntersuchung, erforderlich ist, kann man eine aus einenn entsprechenden,
nachgiebigen und lichtdurchlässigen Werkstoff bestehende Stange in der aus Fig.1
ersichtlichen. Weise mit reflektierenden Niederschlägen. versehen und in. einer
feuchtigkeitsdichten Hülle unterbringen. Die Praxis hat aber gezeigt, daß es sehr
schwer hält, genügend haftfähige Niederschläge auf. einem Körper zu erzeugen, der
nicht starr, sondern nachgiebig ist.
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Daher wird nach Fig. 8 ein biegsamer Lichtübertragungsstab, aus. drei
Stücken zusammengesetzt, von. denen zwei, z. B. aus Kieselerde, starr ausgeführt
und als Absehlußteile 17 und 18 in die Enden einer feuchtigkeitsdichten Hülle 19
eingesetzt und damit verbunden sind, während das dritte: als aus einem plastischen,
stark lichtdurchlässigen: und biegsamen. Werkstoff bestehender Stab 20 im Innern
der Hülle zwischen, den, beiden starren Absehlußteilen17 und 18 angeordnet ist und
mit ihren: ebenen, Endflächen. 20' sich an: die innenliegendem, Stirnflächen der
Abschlußteile 17, 18 abstützt. Die Umfläche eines jeden; der beiden Absehlußteile
17, 18 ist nahe dem zugehörigen Ende der Hülle 19 mit einem reflektierenden. Niederschlag
5 bzw. 6, z. B. aus Silber, umkleidet; der seinerseits mit einer Kupferauftragsschicht
7 bzw. 8 bedeckt ist. Mittels eines Leims oder eines anderen Klebemittels. ist jeder
Absch.lußteil 17 bzw. 18 mit einer Hülse 21 bzw. 22. aus Nickel verbunden, die ihrerseits
durch eine Dichtungsmuffe 23 b@zw. 24 wiederum mit Hilfe einfies Klebemittels, wie
z. B. Kautschuk, Zement oder Leim, an. der Hülle 19 b@efestigt ist.
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Um bei den Biegungen dieses zusammengesetzten Lichtübertragungsstabes
17, 18, 20 jeden optischen Kontakt zwischen denn nachgiebigen Stab 20 und der feuchtigkeitsdichten
Hülle 19 -zu vermeiden, kann zwischen Hülle und Stab entweder eine Zwischenschicht
aus Mattpapier oder eine nicht glatte Zwischenhülle 25 mit einer möglichst niedrigen
Brechungszahl eingefügt sein.. Die Eintritts- und die Austrittsflächen des Lichtübertragungsstabes
17, 18, 20 sind frei von jeder Fassung und jeder Abschrägung, und weiterhin sind
die Berührungsflächen 20' zwischen dem biegsamen Stab 20 und den. starren Abschlußteilen.
17 und 18 vollkommen eben geschliffen und weisen, keinerlei Abschrägung auf.
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Die drei Stücke 17, 18, 20 des Lichtführungsstabes brauchen nicht
unbedingt den gleichen Durchmesser zu haben., vielmehr ist es, wenn der Abschlußte:ildurchmesser
kleiner als der Durchmesser des Bildes der Lichtquelle sein muß, vorteilhaft, für
die längstmögliche Lichtbahn Stabstücke mit dem größten Durchmesser zu verwenden.
Für ein und denselben Eintrittswinkel am Stab ist nämlich die Zahl der Reflexionen
um so größer, je kleiner der Durchmesser dieses Stabes ist. Selbst im Falle der
totalen. und nicht metallischen Reflexion, d. h. bei bloßem Stab, empfiehlt sich
eine geringe Zahl von Reflexionen wegen der durch die Unvollkommenheiten. der Sta:boberfläche
bedingten Lichtverluste,.
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Der erfindungsgemäß ausgebildete biegsame Lichtübertragungsstab ist
bei vielen Arten von Endoskopen und insbesondere auch bei Gastroskopen und Ohrlich.tsonden
mit Vorteil verwendbar.