DE3328090C2

DE3328090C2 - Lichtübertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3328090C2
Application number: DE3328090A
Authority: DE
Inventors: Kimihiko Tokio/Tokyo Nishioka
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1982-08-05
Filing date: 1983-08-03
Publication date: 1991-03-07
Also published as: JPS5926703A; DE3328090A1; US4576435A

Abstract

Die Lichtübertragungsvorrichtung weist einen Lichtleiter (3) in Form eines Bündels optischer Fasern auf. Von einer Lichtquelle (1) ausgehendes Licht tritt durch eine Kondensorlinse (2) hindurch und fällt in das Lichteintrittsende (3a) des Lichtleiters ein, um zum Lichtaustrittsende (3b) desselben übertragen zu werden. Zwischen der Kondensorlinse (2) und dem Lichtleiter (3) ist ein rohrförmiger Reflektor (9) angeordnet, um für eine gleichmäßige Verteilung der Lichtstärke über das ganze Lichteintrittsende des Lichtleiters zu sorgen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtübertragungsvorrichtung, insbesondere für die Beleuchtungsoptik eines Endoskops und dgl.
Die Optik eines bekannten Endoskops hat den in Fig. 1 schematisch gezeigten Aufbau, zu dem eine Beleuchtungsanordnung 10 mit einer Beleuchtungslichtquelle 1, beispielsweise einer Lampe, einem Reflektor 1 a und einer Kondensorlinse 2 gehört. Von der Lichtquelle 1 ausgehendes Licht wird von der Kondensorlinse 2 so gebündelt, daß es auf ein Lichteintrittsende 3 a eines Lichtleiters 2 auftrifft, der aus einem Bündel optischer Fasern besteht. Nach dem Durchlaufen des Lichtleiters 3 tritt das Licht an seinem Lichtaustrittsende 3 b 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 6 a, einem Objektiv 6, einem ebenfalls aus einem optischen Faserbündel bestehenden Bildleiter 7 und einem Okular 8 beobachtet werden.
Bei Verwendung einer Lichtübertragungsvorrichtung dieser Art, zwischen der der Belichtungslichtquelle 1 nachgeordneten Kondensorlinse 2 und dem Lichtleiter 3, der aus einer Anzahl gebündelter und mittels Klebstoff vereinigter optischer Fasern besteht, kann die verhältnismäßig schwache Wärmewiderstandsfähigkeit des Klebstoffs dazu führen, daß im Bereich des Lichteintrittsendes 3 a, 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 Verfügung 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 3 a 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 Sicherheit 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 3 a und dem Lichtaustrittsende 3 b. Wenn nämlich das in das Lichteintrittsende 3 a einfallende Licht in seiner Stärke ungleichmäßig verteilt ist, wird diese Verteilung unmittelbar auch zum Lichtaustrittsende 3 b übertragen, was zur Folge hat, daß für das zu beobachtende Objekt 5 Licht von ungleichmäßiger Verteilung zur Beleuchtung zur Verfügung 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 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, einen einzigen zylindrischen Lichtleiter aus einem Infrarotstrahlen absorbierenden Werkstoff zu verwenden, der zwischen dem Lichteintrittsende des Lichtleiters und der Lichtquelle anzuordnen ist, oder auf eine Belüftungskühlung zurückzugreifen. Auf diese Weise kann jedoch eine 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.
Bei einer Beleuchtungseinrichtung für Lichtfaser-Telekommunikation in entgegengesetzten Richtungen wird das aus einer Laserdiode mit Randabstrahlung seitlich abgestrahlte Licht mittels eines parabolischen Reflektorspiegels am Rand achsparallel gebündelt und um einen dem Signal-Empfang dienenden flächigen Empfängerdetektor herum über einen zylindrischen Reflektor aus einem transparenten Kern und einem Mantel geringerer Brechzahl auf die Eintrittsfläche eines optischen Wellenleiterbündels mit geringer numerischer Apertur mit verbesserter Gleichverteilung gerichtet. Dabei ist die Anordnung so ausgebildet, daß die vom parabolischen Reflektor abgegebenen Lichtstrahlen möglichst kaum an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel des zylindrischen Reflektors reflektiert werden. Bei den geringen Leistungen der verwendeten Laserdioden tritt die Gefahr des Verbrennens des Lichtleiters nicht auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lichtübertragungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art für die Beleuchtung von zu beobachtenden Gegenständen zu schaffen, mit der die Nachteile der bekannten gleichartigen Vorrichtungen vermieden werden und die auch bei der Übertragung von Licht hoher Intensität nicht zu Verbrennungen des Lichtleiters, insbesondere im Bereich dessen Stirnenden führt, und die eine gleichmäßige Verteilung des an den Beleuchtungslichtleiter und von diesem abgegebenen Licht sicherstellt.
Eine diese Aufgabe lösende Lichtübertragungsvorrichtung ist mit ihren Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
Das durch eine Kondensorlinse hindurchtretende und auf das Lichteintrittsende des Lichtleiters auftreffende Licht muß einen speziellen zylindrischen Reflektor passieren, ehe es das Lichteintrittsende des Lichtleiters erreicht. Die Lichtstrahlen werden an einer zylindrischen Grenz- bzw. Reflexionsfläche des Reflektors mehrfach reflektiert, was zu einer Vergleichmäßigung der Lichtstärkenverteilung auf dem Weg zum Lichteintrittsende führt. 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 Beitrag zur Verringerung des Durchmessers von Endoskopen und dgl.
Die Erfindung ist mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 4 eine vergrößerte Teilansicht einer Beleuchtungs- Lichtübertragungsvorrichtung,
Fig. 5 eine graphische Darstellung der radialen Verteilung der Lichtstärke über das Lichteintrittsende eines in der Lichtübertragungsvorrichtung gemäß Fig. 4 verwendeten zylindrischen Reflektors.
In Fig. 4 sind für Bauelemente, die denen der Fig. 1 entsprechen, die gleichen Bezugszeichen verwendet. Das von einer Lichtquelle 1 ausgehende Licht tritt durch eine Kondensorlinse 2 hindurch und trifft auf einen zylindrischen Reflektor 9 auf.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist der Reflektor 9 zwischen der Kondensorlinse 2 und dem Lichteintrittsende 3 a eines aus einem Bündel optischer Fasern bestehenden Lichtleiters 3 angeordnet. Der Reflektor 9 besteht aus einem massiven Kern 9 a und einem diesen umhüllenden Mantel 9 b. Der massive bzw. einteilige Kern 9 a muß so gewählt sein, daß er bestimmte, im einzelnen noch zu beschreibende Anforderungen erfüllt. Bei Verwendung eines solchen Reflektors 9 kann von der Lichtquelle 1 ausgehendes Licht so abgelenkt werden, daß es gleichmäßig verteilt ist, weil an der Grenzfläche zwischen dem Kern 9 a und dem Mantel 9 b Reflexionen auftreten. Die dadurch erzielte Verteilung der Lichtstärke am Lichteintrittsende 3 a 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 zylindrische 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 den umgerechneten Luftabstand zwischen dem Lichteintrittsende des Kerns 9 a des Reflektors 9 und der Abbildung L des Hellflecks bedeutet (die links vom Einfallsende als positiv und rechts davon als negativ angenommen wird), &wedgeq; den Radius und d die Länge des Kerns 9 a des Reflektors 9 längs der optischen Achse bezeichnet, a einen Winkel zwischen einem Randstrahl und der optischen Achse (wenn ein Lichtbündel nicht symmetrisch zur Achse verläuft, wird ein Minimalwert gewählt) und n die Brechzahl des Kerns 9 a angibt. Um das auf den Reflektor 9 in Form eines einzelnen Kerns auftreffende Licht auch am Austrittsende gleichförmig zu erhalten, muß der Randstrahl mindestens einmal an der Grenzfläche zwischen dem Kern 9 a und dem Mantel 9 b des Reflektors 9 reflektiert werden. Mit anderen Worten, die erwähnten Parameter müssen der folgenden Bedingung gehorchen: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;Bei zunehmender Länge des den Reflektor 9 bildenden Kerns wird die Gleichförmigkeit des Lichtstroms gefördert. Allerdings ist die Länge durch den Wunsch nach einer Verringerung der Abmessungen begrenzt. Sofern die Ungleichung (1) erfüllt ist, kann ein Lichtstrom von im wesentlichen gleichmäßiger Intensitätsverteilung erzielt werden.
Wenn man das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Kerns 9 a des Reflektors 9 und dem Durchmesser des Lichtleiters 3 betrachtet, so zeigt sich, daß wenn a> &wedgeq; (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
°Ka°k¤&udf58;t&udf56;¤°Kìa°k@,(2)&udf50;
zu wählen. Der Durchmesser des Kerns 9 a des Reflektors 9 muß also dem Durchmesser des Lichtleiters 3 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 Kern 9 a 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≤ &wedgeq;. Wenn die Verteilung der Lichtstärke am Lichteintrittsende des Reflektors 9 mit J(r) angenommen wird (worin r die radiale Entfernung von der Mitte des Kerns angibt), ergibt sich als Gesamtmenge des durch das Lichteintrittsende des Reflektors 9 hindurchtretenden Lichts: °=c:50&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz4&udf54; &udf53;vu10&udf54;Dieses Licht wird auf seinem Weg durch den Reflektor 9 gleichmäßig verteilt und erzeugt am Lichtaustrittsende einen Lichtstrom von gleichmäßiger Stärke. Die Lichtmenge pro Flächeneinheit am Lichtaustrittsende des Reflektors 9 ist infolgedessen °=c:50&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz4&udf54; &udf53;vu10&udf54;Damit ergibt sich als Gesamtlichtmenge &wedgeq;, die auf den Lichtleiter 3 auftrifft, °=c:50&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz4&udf54; &udf53;vu10&udf54;Wenn im Gegensatz dazu der Reflektor 9 nicht vorgesehen ist, ergibt sich als Gesamtlichtmenge E, die auf den Lichtleiter 3 auftrifft, °=c:50&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz4&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Die Menge (E- &wedgeq;) 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-1)/(n+1)]² und liegt in einem Bereich von 0,04 bis 0,11, da n einen Wert im Größenordnungsbereich 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 obenerwähnten Lichtverlust (E- &wedgeq;) 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 &wedgeq; so zu wählen, daß die folgende Bedingung erfüllt ist: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
In der Praxis ist es jedoch aus mechanischen Gründen nicht möglich, der als Reflektor 9 dienenden Kernfaser 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: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Um einen über den Lichtleiter 3 zu übertragenden Lichtverlust infolge der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem Kern 9 a und dem Mantel 9 b der als Reflektor 9 dienenden Einzelfaser zu verhindern, müssen die Brechzahlen wie folgt gewählt werden: °=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz1&udf54; &udf53;vu10&udf54;Darin bezeichnet n&sub1; die Brechzahl des Reflektormantels 9 b, n&sub2; die Brechzahl eines Kerns 3 c des Lichtleiters 3 und n&sub3; die Brechzahl eines Mantels 3 d des Lichtleiters 3.
Wie schon erwähnt, kann dadurch, daß zwischen der Kondensorlinse 2 und dem Lichtleiter 3 ein Reflektor 9 angeordnet wird, der die vorstehenden Anforderungen (1) bis (4) erfüllt, eine gleichmäßige Verteilung der Lichtstärke über das Lichtaustrittsende hinweg erzielt werden. Infolgedessen kann ein intensives, örtlich begrenztes Durchbrennen im Lichteintrittsende des Lichtleiters 3 vermieden werden. Außerdem sorgt diese Lichtübertragungsvorrichtung auch immer dann für gleichmäßige Beleuchtung, wenn zwischen dem Kern 9 a des zylindrischen Reflektors 9 und dem Lichtleiter 3 geringfügige Exzentrizität besteht oder wenn die einzelnen Fasern, aus denen deren Lichtleiter 3 besteht, zwischen dem Lichteintrittsende und dem Lichtaustrittsende versetzt sind.
Wenn der Kern aus einem Infrarotstrahlen absorbierenden Werkstoff besteht, wird ein noch günstigeres Ergebnis zur Vermeidung der Erscheidung des Durchbrennens erzielt. Der Mantel 9 b kann fehlen oder aus einem Klebstoff bestehen. Der Kern 9 a ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel massiv. Der Reflektor ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann auch einen Glasstab oder ein Hohlrohr, dessen Innenfläche so fertigbearbeitet ist, daß sie eine Totalreflexion ermöglicht, aufweisen. Wenn die Erfindung auch in Anwendung auf eine Beleuchtungsoptik für ein Endoskop beschrieben wurde, liegt doch auf der Hand, daß sie auch für andere Beleuchtungssysteme mit einem Lichtleiter gleichermaßen anwendbar ist.

Claims

1. Lichtübertragungsvorrichtung mit einem Lichtleiter in Form eines optischen Faserbündels, einer Lichtquelle und zwischen der Lichtquelle und dem Lichtleiter nacheinander angeordnet einer Kondensorlinse und einem zylindrischen Reflektor, bei der aus der Kondensorlinse und dem zylindrischen Reflektor austretendes Licht der Lichtquelle auf das Lichteintrittsende des Lichtleiters fällt und im Lichtleiter zu dessen Lichtaustrittsende geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Reflektor (9) die folgende Ungleichung erfüllt: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;in der bedeutet:

s den Abstand zwischen dem Lichteintrittsende des zylindrischen Reflektors (9) und einem mit der Lichtquelle bezüglich der Kondensorlinse konjugiertem Punkt,
d die Länge des Reflektors,
n die Brechzahl desjenigen Teils des Reflektors, der den Durchtritt von Licht ermöglicht,
&wedgeq; den Radius dieses Teils des Reflektors und
a die numerische Mindesttemperatur eines auf den Reflektor auftreffenden Lichtstroms.

2. Lichtübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Reflektor (9) folgende Bedingung erfüllt: a≤ &wedgeq;, mit &wedgeq; dem Radius desjenigen Teils des Reflektors, der den Durchtritt von Licht zuläßt, und a dem Radius des Teils des Lichtleiters (3), der den Durchtritt von Licht zuläßt.

3. Lichtübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Reflektor (9) folgende Bedingung erfüllt: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;worin &wedgeq; die Gesamtlänge ist, die durch den Reflektor (9) auf den Lichtleiter (3) auftrifft, und E die Gesamtlichtmenge, die bei Fehlen des Reflektors auftrifft.

4. Lichtübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Reflektor (9) einen massiven Kern (9 a) und einen diesen umhüllenden Mantel (9 b) aufweist und das von der Lichtquelle in den Reflektor eintretende Licht an der Grenzfläche zwischen dem Kern (9 a) und dem Mantel (9 b) reflektiert wird.

5. Lichtübertragungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (9 a) die folgende Bedingung erfüllt:
&udf58;w&udf56;&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;°Kn°k¥¤þ¤°Kn°kÉ¥&udf53;lu&udf54;¤>¤&udf58;w&udf56;&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;°Kn°kÊ¥¤þ¤°Kn°kË¥&udf53;lu&udf54;&udf53;zl10&udf54;worin bedeuten:

n die Brechzahl des Reflektorkerns (9 a),
n&sub1; die Brechzahl des Reflektormantels (9 b),
n&sub2; die Brechzahl des Kerns (3 c) des Lichtleiters (3) und
n&sub3; die Brechzahl des Mantels (3 d) des Lichtleiters (3).