DE102006062938B3 - Endoscopic system, has fluorescence converter designed as fluorescent body that is mounted downstream of light emergence surface of transmission path as separate interchangeable part, and distal end and body, which are inserted into fixture - Google Patents

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Abstract

The system (1) has an excitation radiation source (5) arranged in a proximal supply unit (4), an optical radiation transmission path i.e. glass fiber (8), in an insertion piece (3), and a fluorescence converter at a distal end of the path. A laser diode (6) emits in a shortwave visible spectral range, which is used as the excitation radiation source. The fluorescence converter is designed as a fluorescent body that is mounted downstream of a light emergence surface of the path as a separate, interchangeable part. The distal end and the body are inserted into a lighting fixture (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein endoskopisches System mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to an endoscopic system having the features of the preamble of claim 1.

Aus JP 2002-148 442 A ist eine Beleuchtungseinrichtung bekannt, bei der das Licht eines Halbleiterlasers in eine optische Glasfaser eingestrahlt wird. Die Glasfaser besteht aus einem lichtleitenden Kern mit hohem Brechungsindex, einem Mantel mit niedrigem Brechungsindex und einer Schutzschicht. In die Schutzschicht sind Fluoreszenzfarbstoffe eingelagert. Der Halbleiterlaser emittiert im Spektralbereich 380–460 nm.Out JP 2002-148 442 A An illumination device is known in which the light of a semiconductor laser is radiated into an optical glass fiber. The glass fiber consists of a high refractive index photoconductive core, a low refractive index cladding and a protective layer. Fluorescent dyes are embedded in the protective layer. The semiconductor laser emits in the spectral range 380-460 nm.

Durch Unstetigkeiten und Störstellen im Kern und/oder in der Kern-/Mantel-Grenzschicht wird ein Teil des Lichtes in die Schutzschicht ausgekoppelt. Die Störstellen können von außen an definierter Stelle eingebracht werden. Die Auskopplung kann auch durch Biegen der Glasfaser erreicht werden. Die Fluoreszenzfarbstoffe in der Schutzschicht wandeln blaues Licht des Halbleiterlasers in gelbes Licht μm. Ein anderer Teil des ausgekoppelten blauen Lichtes durchdringt die Schutzschicht und addiert sich mit dem gelben Anteil zu Weißlicht. Das Weißlicht wird über die gesamte Länge der Glasfaser abgestrahlt, die mit der Schutzschicht versehen ist und an denen Auskoppelstörstellen vorhanden sind. Die Einrichtung ist im wesentlichen zur Beleuchtung in Anzeigetafeln oder zur Darstellung von Ornamenten vorgesehen.By discontinuities and impurities in the core and / or in the core / cladding boundary layer, part of the light is coupled out into the protective layer. The impurities can be introduced from the outside at a defined location. The decoupling can also be achieved by bending the glass fiber. The fluorescent dyes in the protective layer convert blue light of the semiconductor laser into yellow light μm. Another part of the decoupled blue light penetrates the protective layer and adds up with the yellow component to white light. The white light is emitted over the entire length of the glass fiber, which is provided with the protective layer and at which Auskoppelstörstellen are present. The device is intended essentially for lighting in display panels or for the representation of ornaments.

Eine Weiterentwicklung des Prinzips der Weißlichterzeugung durch additive Farbmischung von blauem Laserlicht und in einem Fluoreszenzumsetzer erzeugten gelben Lichtanteilen ist aus JP 2005-205 195 A bekannt. Das von einer LED oder einer Laserdiode (LD) im blauen Spektralbereich abgestrahlte Licht wird durch eine Kondensoranordnung in eine dünne Multimode-Glasfaser eingespeist. Das andere Ende der Glasfaser ist mit einem Wellenlängen-Umwandlungselement versehen. Dieses besteht aus dem Kern der Glasfaser und einem die Spitze der Glasfaser umhüllenden Fluoreszenzmaterial. Wegen der an der Spitze der Glasfaser konzentrierten Weißlichterzeugung ist die Ausführungsform besonders für endoskopische Anwendungen geeignet. Durch Auswahl der Laser-Emissionswellenlängen und der Komposition des Fluoreszenzmaterials ist eine Vielzahl von Farbabstufungen bei der Fluoreszenzumwandlung und Farbmischung möglich.A further development of the principle of white light generation by additive color mixing of blue laser light and yellow light components generated in a fluorescence converter is lacking JP 2005-205 195 A known. The light emitted by an LED or a laser diode (LD) in the blue spectral region is fed by a condenser arrangement into a thin multimode glass fiber. The other end of the glass fiber is provided with a wavelength conversion element. This consists of the core of the glass fiber and a fluorescent material surrounding the tip of the glass fiber. Because of the white light generation concentrated at the tip of the optical fiber, the embodiment is particularly suitable for endoscopic applications. By selecting the laser emission wavelengths and the composition of the fluorescent material, a variety of color gradations in fluorescence conversion and color mixing is possible.

Eine optische Einrichtung mit Weißlichterzeugung am distalen Ende der Glasfaser wurde von der Fa. Nichia Corp. Auf der Messe „Laser 2005” in München vorgestellt. Eine blaue Laserdiode speist kurzwelliges, bläuliches Licht mit 405 oder 445 nm Wellenlänge in eine dünne Multimode-Glasfaser ein. An deren Ende befindet sich ein Fluoreszenzumsetzer, der einen Teil des Blaulichts durchläßt und diffus verteilt. Der andere Teil des bläulichen Lichts wird durch den Fluoreszenzfarbstoff in gelbliches Licht umgewandelt und ebenfalls diffus abgestrahlt. Zusammen mit dem direkt durchgelassenen Blaulichtanteil entsteht so durch additive Lichtmischung wiederum ein weißes Licht. Dabei wurde auf eine exakte Abstimmung der Farbstoffe und der Streuung besonderer Wert gelegt, so daß das Licht möglichst neutral wirkt.An optical device with white light generation at the distal end of the glass fiber was manufactured by the company Nichia Corp. Presented at the fair "Laser 2005" in Munich. A blue laser diode feeds shortwave bluish light with 405 or 445 nm wavelength into a thin multimode fiber. At the end of which is a fluorescence converter, which transmits part of the blue light and diffuses it. The other part of the bluish light is converted by the fluorescent dye into yellowish light and also diffused. Together with the directly transmitted blue light component, a white light is created by additive light mixing. Special emphasis was placed on an exact matching of the dyes and the scattering, so that the light acts as neutral as possible.

Aufgrund der das Faserende umfassenden Beschichtung mit dem Fluoreszenzumsetzer erfolgt die Lichtabstrahlung in einen Winkelbereich von praktisch 360°. Die Glasfaser kann mit dem beschichteten Kopfteil zur Beleuchtung in Hohlräume eingeführt werden, solange die bei der Fluoreszenzumsetzung entstehende Wärme ohne Schaden in den Hohlraum abgestrahlt werden kann.Due to the fiber end coating comprising the fluorescence converter, the light emission takes place in an angular range of virtually 360 °. The glass fiber can be introduced with the coated head part for illumination in cavities, as long as the resulting in the fluorescence conversion heat can be radiated without damage into the cavity.

Aus JP 2005-328 921 A ist ein Adapter für Endoskope bekannt, in den ein Fluoreszenzkörper eingesetzt ist. Der Adapter kann so auf das Distalende des Endoskops aufgesetzt werden, dass der Fluoreszenzkörper der Austrittsfläche einer Beleuchtungsfaser gegenüber liegt. Durch geeignete Formgebung des Fluoreszenzkörpers und Beschichtung seiner Außenfläche kann erreicht werden, daß das Anregungslicht in den Fluoreszenzkörper eintreten kann und das Fluoreszenzlicht in Richtung der Frontfläche des Fluoreszenzkörpers reflektiert wird. Die Frontfläche kann mit einer transparenten Schutzschicht versehen sein.Out JP 2005-328 921 A an adapter for endoscopes is known in which a fluorescent body is inserted. The adapter can be placed on the distal end of the endoscope so that the fluorescent body of the exit surface of an illumination fiber is opposite. By suitable shaping of the fluorescent body and coating of its outer surface can be achieved that the excitation light can enter the fluorescent body and the fluorescent light is reflected in the direction of the front surface of the fluorescent body. The front surface can be provided with a transparent protective layer.

Aus der Druckschrift EP 1 795 798 A1 ist eine Licht abstrahlende Vorrichtung bekannt, die eine Anregungslichtquelle, einen Lichtleiter zur Übertragung des Anregungslichtes und ein Wellenlängen konvertierendes Element am distalen Ende des Lichtleiters enthält. Dem Lichtaustrittsende des Lichtleiters ist ein Streukörper zur Aufweitung des Anregungsstrahlenbündels vor dem Eintritt in das Wellenlängen konvertierende Element angeordnet.From the publication EP 1 795 798 A1 For example, there is known a light-emitting device including an excitation light source, a light guide for transmitting the excitation light, and a wavelength-converting element at the distal end of the light guide. The light exit end of the light guide is arranged a scattering body for expanding the excitation beam before entering the wavelength converting element.

Aus US 2006/0235277 A1 ist ein Einführungsteil für ein Endoskop bekannt, bei dem am distalseitigen Ende vor dem Lichtleiter ein Phosphor angeordnet ist. Die von dem Phosphor abgegebene Strahlung wird durch eine Beleuchtungslinse aus dem Einführungsteil abgestrahlt.Out US 2006/0235277 A1 an insertion part for an endoscope is known in which a phosphor is arranged at the distal end in front of the light guide. The radiation emitted by the phosphor is radiated out of the insertion part by an illumination lens.

Aus JP 2006-158789 A ist ein distalseitiges Ende eines Endoskops bekannt, bei dem zentral eine CCD-Kamera Kamera zur Beobachtung eingesetzt ist. Um die Kamera herum sind drei Lichtleiter angeordnet, die das Beobachtungsfeld beleuchten. An den Lichtaustrittsflächen der Lichtleiter sind Fluoreszenzsubstanzen für rote, grüne und blaue Emission angeordnet. Außerdem können den Lichtaustrittsflächen der Lichtleiter optische Mittel vorgeschaltet sein, mit denen die Beleuchtungskegel zum Zentrum hin umgelenkt werden. Die Umlenkmittel können auch in einer Kappe angeordnet sein, die auf das Distalende aufgesetzt wird.Out JP 2006-158789 A is a distal end of an endoscope known in which centrally a CCD camera camera is used for observation. Around the camera, three light guides are arranged, which illuminate the field of observation. At the light exit surfaces of the light guide fluorescent substances for red, green and blue emission are arranged. In addition, the Light exit surfaces of the optical fiber be preceded by optical means with which the illumination cone are deflected towards the center. The deflection means can also be arranged in a cap which is placed on the distal end.

Aus der Druckschrift DE 20 2004 012 992 U1 ist ein endoskopisches Video-Messsystem mit einem Einführungsteil und einem daran ansetzbaren Wechselkopf bekannt. Im Einführungsteil ist zur Übertragung einer Messstrahlung eine Singelmode-Glasfaser angeordnet, der am distalen Endteil ein optisches System zur Erzeugung eines kollimierten Messstrahlenbündels zugeordnet ist.From the publication DE 20 2004 012 992 U1 is an endoscopic video measuring system with an introduction part and an attachable replaceable head known. In the introduction part, a single-mode optical fiber is arranged for transmitting a measuring radiation, which is assigned to the distal end part of an optical system for generating a collimated measuring beam.

Neuere Laserlichtquellen werden mit immer größer werdender Leistungsabgabe angeboten. Dies führt zu einer Erhöhung der thermischen Belastung des Fluoreszenzumsetzers, wodurch dessen Lebensdauer herabgesetzt wird. Die thermische Beständigkeit des Fluoreszenzumsetzers kann durch den Übergang von organischen zu anorganischen Fluoreszenzbestandteilen erhöht werden. Das führt dann aber bei höherer Lichtemission zu einer noch höheren Wärmeabstrahlung.Newer laser light sources are offered with ever-increasing power output. This leads to an increase in the thermal load of the fluorescence converter, whereby its life is reduced. The thermal stability of the fluorescence converter can be increased by the transition from organic to inorganic fluorescent components. However, this leads to an even higher heat radiation at higher light emission.

Das Konzept dieser Weißlichterzeugung durch Mischung eines Restes des blauen Anregungslichts mit dem Fluoreszenzlicht ist ähnlich zu dem der ebenfalls bekannten Weißlicht-LEDs. Die Fluoreszenzfarbstoffe sind bei diesen LEDs direkt auf dem blau leuchtenden LED-Chip aufgebracht. Leider haben diese Weißlicht-LEDs den großen Nachteil, daß sie zur Zeit etwa nur den 1- bis 3-fachen Wirkungsgrad von elektrischer Energie (Watt) zu abgestrahltem Licht (Lumen) wie Halogenlampen besitzen. Deshalb entwickeln sie auch sehr viel Abwärme, was sie für endoskopische Anwendungen am Distalende ungeeignet macht. Da die Wärmeableitung am Distalende in der Regel schlecht ist, darf dort durch die Beleuchtung keine große Hitze erzeugt werden, da diese ein Verletzungsrisiko darstellt. Dies ist insbesondere auch bei Videoendoskopen wichtig, da deren distale temperaturempfindliche Kameras selber schon eine gewisse Abwärme erzeugen.The concept of this white light generation by mixing a remainder of the blue excitation light with the fluorescent light is similar to that of the well-known white light LEDs. The fluorescent dyes are applied to these LEDs directly on the blue glowing LED chip. Unfortunately, these white light LEDs have the great disadvantage that they currently have about only 1 to 3 times the efficiency of electrical energy (watts) to emitted light (lumens) such as halogen lamps. Therefore, they also develop a lot of waste heat, which makes them unsuitable for endoscopic applications at the distal end. Since the heat dissipation at the distal end is usually poor, there may be generated by the lighting, no great heat, as this represents a risk of injury. This is especially important in video endoscopes, since their distal temperature-sensitive cameras themselves already generate a certain amount of waste heat.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, das Prinzip der bekannten Weißlichterzeugung in endoskopischen Systemen für Beleuchtungs- und Meßstrahlenbündel mit im wesentlichen vorwärts oder gezielt seitwärts gerichteter Lichtabstrahlung nutzbar zu machen und eine Wärmebelastung des Fluoreszenzumsetzers, des Untersuchungsobjekts und/oder der in der Nähe der distalseitigen Beleuchtungsoptik angebrachten endoskopischen Beobachtungssysteme zu vermeiden.The invention was based on the object of making use of the principle of the known white light generation in endoscopic systems for illumination and measuring beams with substantially forward or targeted sideways directed light emission and a heat load of the fluorescence converter, the examination subject and / or in the vicinity of the distal-side illumination optics to avoid attached endoscopic observation systems.

Diese Aufgabe wird bei einem endoskopischen System der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.This object is achieved according to the invention in an endoscopic system of the type mentioned by the characterizing features of claim 1. Advantageous developments emerge from the features of the subclaims.

Die Anordnung eines von der Glasfaser losgelösten, separaten und damit austauschbaren Fluoreszenzkörpers eröffnet vielfältige Möglichkeiten der geometrischen Formgebung zur Anpassung an die spezifischen Anforderungen eines Endoskops. Aber auch die optischen Eigenschaften des Fluoreszenzkörpers können durch Materialwahl und Materialkomposition vielfältig variiert werden. Außerdem wird die Austauschbarkeit und Montage von Systemeinheiten wesentlich erleichtert.The arrangement of a detached from the glass fiber, separate and thus exchangeable fluorescent body opens up many possibilities of geometrical shaping to adapt to the specific requirements of an endoscope. But the optical properties of the fluorescent body can be varied varied by material selection and material composition. In addition, the interchangeability and installation of system units is much easier.

Neben der Lichtquelle zur Weißlichtabstrahlung kommt in der Endoskopie der Miniaturisierung von Lichtreflektoren und der Strahlformungsoptik eine besondere Bedeutung zu. Wird eine effiziente Strahlformung benötigt, muß der Fluoreszenzkörper aus optisch-geometrischen Überlegungen möglichst klein sein gegenüber dem Reflektor oder der Strahlformungsoptik. Diese Miniaturisierung erhöht jedoch zwangsläufig die Wärmekonzentration und den zerstörerischen Temperaturgradienten. Aus diesen Gründen ist die Reduktion der thermischen Widerstände im und um den Fluoreszenzkörper wichtig. In den Unteransprüchen werden Konzepte genannt, wie dies bei miniaturisierten Fluoreszenzkörpern erreicht werden kann.In addition to the light source for white light emission, miniaturization of light reflectors and beam shaping optics is of particular importance in endoscopy. If efficient beam shaping is required, the fluorescence body must be as small as possible with respect to the reflector or the beam shaping optics for reasons of optical geometry. However, this miniaturization inevitably increases the heat concentration and the destructive temperature gradient. For these reasons, the reduction of thermal resistances in and around the fluorescent body is important. In the subclaims concepts are mentioned, as can be achieved in miniaturized fluorescent bodies.

Die Bezeichnung „Fluoreszenzkörper” soll auch seine Eigenschaft als Streukörper zur Streuung des durchgelassenen Anregungslichtes einschließen. Die Streuung wird durch die im Volumen des Fluoreszenzkörpers eingelagerten Streuzentren und durch Struktureffekte an der Oberfläche bewirkt. Dabei können die Streuzentren gleichzeitig auch die Fluorophore sein. Die Streuzentren können aufgrund ihrer Dimensionierung selektiv die kurzen Wellenlängen bevorzugt streuen.The term "fluorescent body" should also include its property as a scattering body for scattering the transmitted excitation light. The scattering is brought about by the scattering centers embedded in the volume of the fluorescent body and by structural effects on the surface. The scattering centers can also be the fluorophores at the same time. Due to their dimensioning, the scattering centers can selectively scatter the short wavelengths preferentially.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Systems sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden anhand der Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:Embodiments of the system according to the invention are shown schematically in the drawing and are described in detail with reference to FIGS. Showing:

1 ein endoskopisches System mit Beleuchtungskörper, 1 an endoscopic system with lighting fixtures,

2 einen Beleuchtungskörper mit Glasfaser und Fluoreszenzkörper, 2 a lighting fixture with glass fiber and fluorescent body,

3 den Beleuchtungskörper zusätzlich mit Kristallfenster, 3 the lighting fixture additionally with crystal window,

4 einen Wechselkopf mit quasi punktförmigem Fluoreszenzkörper, 4 a replaceable head with a quasi punctiform fluorescence body,

5 den Wechselkopf nach 4 mit fokussiertem Anregungsstrahlenbündel und 5 the replaceable head 4 with focused excitation beam and

6 den Wechselkopf nach 4 mit kollimiertem Anregungsstrahlenbündel. 6 the replaceable head 4 with collimated excitation beam.

7a einen größeren Fluoreszenzkörper in einem Wechselkopf mit seitwärts gerichteter Beleuchtung und Beobachtung, 7a a larger fluorescent body in a replaceable head with sideways illumination and observation,

7b dieselbe Anordnung mit vorwärts gerichteter Beleuchtung und Beobachtung, 7b same arrangement with forward lighting and observation,

8 den Wechselkopf nach 7a zusätzlich mit parallelen Meßstrahlenbündeln, 8th the replaceable head 7a additionally with parallel measuring beams,

9a den Wechselkopf nach 7a zusätzlich mit Meßmustererzeugung und 9a the replaceable head 7a additionally with measurement pattern generation and

9b dieselbe Anordnung zusätzlich mit Videokamera und elektrischen Kontakten. 9b same arrangement in addition with video camera and electrical contacts.

1 zeigt schematisch ein endoskopisches System 1 mit Okular 2 und Einführungsteil 3. Das Einführungsteil 3 kann als starres Rohr oder flexibel ausgebildet sein. Nach oder anstelle des Okulars mit optischer Übertragung des beobachteten Bildes kann auch eine Videokamera mit Darstellung des beobachteten Bildes auf einem Monitor vorgesehen sein. In einer Versorgungseinheit 4 ist eine Anregungsstrahlenquelle 5 angeordnet, die eine Laserdiode 6 und eine Kopplungsoptik 7 zur Einspeisung des Anregungslichtes in eine Glasfaser 8 enthält. Selbstverständlich ist es auch möglich, weitere Laserdioden mit Emission zusätzlicher Wellenlängen vorzusehen, deren Strahlung ebenfalls in die Glasfaser 8 oder in zusätzliche Glasfasern eingespeist werden kann. Damit können z. B. spektrale Schwächen des Weißlichts ausgeglichen werden. Die Laserdioden können batteriebetrieben sein oder über ein Netzteil mit Energie versorgt werden. 1 shows schematically an endoscopic system 1 with eyepiece 2 and introductory part 3 , The introductory part 3 can be designed as a rigid tube or flexible. After or instead of the eyepiece with optical transmission of the observed image, a video camera with representation of the observed image can also be provided on a monitor. In a supply unit 4 is an excitation radiation source 5 arranged, which is a laser diode 6 and a coupling optics 7 for feeding the excitation light into a glass fiber 8th contains. Of course, it is also possible to provide additional laser diodes with emission of additional wavelengths, whose radiation also in the glass fiber 8th or in additional glass fibers can be fed. This can z. B. spectral weaknesses of the white light can be compensated. The laser diodes may be battery operated or powered by a power supply.

Zur Verbindung der Versorgungseinheit 4 mit dem endoskopischen System 1 ist ein Lichtleiterkabel 9 vorgesehen, das über spezielle oder handelsübliche Steckverbinder am Endoskop und der Versorgungseinheit 4 angeschlossen wird. Die Steckverbinder können insbesondere autoklavierbar und lasergeschützt ausgeführt sein. Durch das Einführungsteil 3 hindurch wird die Glasfaser 8 in üblicher Weise lose oder in einem separaten Beleuchtungskanal oder in einer Schutzhülle zum distalen Ende geführt. Am distalen Ende ist ein Beleuchtungskörper 10 angeordnet, in dem die Umwandlung in Weißlicht und die Strahlformung zur Beleuchtung des Objektraumes oder zur Projektion elner Meßstrahlung erfolgen. Der Beleuchtungskörper 10 ist funktional austauschbar und in einen austauschbaren Wechselkopf am distalen Ende des Einführungsteils 3 integriert. Die Abbildungsoptik ist hier nicht weiter dargestellt.To connect the supply unit 4 with the endoscopic system 1 is a fiber optic cable 9 provided by special or commercially available connectors on the endoscope and the supply unit 4 is connected. The connectors can be designed in particular autoclavable and laser-protected. Through the introductory part 3 through is the glass fiber 8th in the usual way loose or in a separate illumination channel or in a protective cover led to the distal end. At the distal end is a lighting fixture 10 arranged in which the conversion into white light and the beam shaping to illuminate the object space or for the projection of elner measuring radiation done. The lighting fixture 10 is functionally replaceable and in a replaceable replaceable head at the distal end of the insertion part 3 integrated. The imaging optics is not shown here.

2 zeigt eine Variante des Beleuchtungskörpers 10 im Detail. In eine Fassung 11 sind die Glasfaser 8 und ein Fluoreszenzkörper 12 eingesetzt. Die Fassung 11 ist z. B. aus einem Metall, wie Silber, Kupfer oder Aluminium, gefertigt und leitet die Warme gut ab, die im Fluoreszenzkörper 12 entsteht. Der Querschnitt der unbearbeiteten, aus Umhüllung, Mantel und Kern bestehenden Glasfaser 8 beträgt ca. 80–900 Mikrometer und ca. 5–900 Mikrometer am bedarfsweise abgedünnten, in die Fassung 11 eingeführten Distalende 8a. Die Abdünnung verbessert die Wärmeableitung nach proximal. Die Glasfaser kann auch mit ihrem vollen Querschnitt in die Fassung 11 eingesetzt sein. Die Lichtaustrittsöffnung 13 der Fassung 11 erweitert sich trichterförmig, z. B. konusförmig von proximal nach distal. In den konusförmigen Teil der Lichtaustrittsöffnung 13 ist ein strahlformendes optisches Element 14 eingesetzt. 2 shows a variant of the lighting fixture 10 in detail. In a version 11 are the glass fiber 8th and a fluorescent body 12 used. The version 11 is z. B. made of a metal such as silver, copper or aluminum, and derives the heat from good in the fluorescent body 12 arises. The cross-section of the unprocessed cladding, sheath and core 8th is about 80-900 microns and about 5-900 microns on demand thinned, in the version 11 introduced distal end 8a , The thinning improves the heat dissipation to the proximal. The glass fiber can also with its full cross section in the socket 11 be used. The light exit opening 13 the version 11 widens funnel-shaped, z. B. conical from proximal to distal. In the cone-shaped part of the light exit opening 13 is a beam-shaping optical element 14 used.

Bei der Konstruktion des Beleuchtungskörpers 10 sind verschiedene Parameter zu beachten. Generell ist in der Beleuchtungsoptik bekannt, daß das Verhältnis des Optikdurchmessers (Reflektor, Linse, Streuscheibe) zum Quellendurchmesser (Glühwendel, Lichtbogen, LED-Chip, Faserende) entscheidend ist für die Möglichkeit der Strahlformung. Mit einer Punktlichtquelle im Verhältnis zur Optik läßt sich nahezu jede beliebige Intensitätsverteilung erzeugen. Die Lichtaustrittsfläche des Distalendes der Glasfaser 8 ist in diesem Sinne nahezu punktförmig. Die Weißlichtquelle wird jedoch durch den Fluoreszenzkörper 12 gebildet. Dessen kleinst mögliche Größe hängt im Prinzip von mindestens vier Eigenschaften des Fluoreszenzmaterials ab, nämlich von der Temperaturfestigkeit, von der Wärmeleitfähigkeit, von der Lichtbeständigkeit und von der optischen Dichte. Alle vier dieser Materialeigenschaften sollen möglichst hoch liegen. Um die Konstruktion des Fluoreszenzkörpers 12 möglichst punktförmig ausführen zu können, muß eine effiziente Wärmeabführung gegeben sein. Optimalerweise wird daher ein glasartiger oder transparent keramischer Fluoreszenzkörper 12 gewählt, der aus Gründen der Temperaturfestigkeit nur aus anorganischen Teilen besteht. Die anorganischen, im Fluoreszenzkörper 12 gebundenen Fluorophore müssen lichtecht sein, damit sie auch hohe eingestrahlte Lichtintensitäten unbeschadet umwandeln können. Die Fluorophore und ihre Konzentration sind so zu wählen, daß sich keine oder nur eine geringe Sättigung durch Quenching einstellt. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr nach proximal ist der Glasfaser-Durchmesser durch Bearbeitung auf das optisch notwendige Minimum zu begrenzen, was durch die Abdünnung dargestellt ist.In the construction of the lighting fixture 10 different parameters have to be considered. Generally, it is known in the illumination optical system that the ratio of the optical diameter (reflector, lens, lens) to the source diameter (incandescent filament, arc, LED chip, fiber end) is crucial for the possibility of beam shaping. With a point light source in relation to the optics, almost any intensity distribution can be generated. The light exit surface of the distal end of the fiberglass 8th is almost punctiform in this sense. However, the source of white light is through the fluorescent body 12 educated. Its smallest possible size depends in principle on at least four properties of the fluorescent material, namely the temperature resistance, the thermal conductivity, the light resistance and the optical density. All four of these material properties should be as high as possible. To the construction of the fluorescent body 12 To be able to perform punctiform as possible, must be given an efficient heat dissipation. Optimally, therefore, becomes a vitreous or transparent ceramic fluorescent body 12 chosen, which consists of reasons of temperature resistance only of inorganic parts. The inorganic, in the fluorescent body 12 bound fluorophores must be light-fast, so that they can also convert high incident light intensities without damage. The fluorophores and their concentration should be chosen so that no or only a small saturation by quenching occurs. To improve the heat dissipation to the proximal, the glass fiber diameter is to be limited by machining to the optically necessary minimum, which is represented by the thinning.

Die Lichtfarbe und die Lichtverteilung entstehen bei der dargestellten Konstruktion direkt im und nahe beim Fluoreszenzkörper 12, aber insgesamt im Beleuchtungskörper 10. Dies ermöglicht eine Modularität in der Konstruktion des endoskopischen Systems 1, indem während der Montage passend zum Objektiv auch der passende Beleuchtungskörper 10, bestehend aus Fluoreszenzkörper 12 mit Fassung 11 und Strahlformungsoptik 14 gewählt werden kann.The light color and the light distribution arise in the illustrated construction directly in and near the fluorescent body 12 but overall in the lighting fixture 10 , This allows a modularity in the construction of the endoscopic Systems 1 , by matching the lens during fitting also the appropriate lighting fixture 10 consisting of fluorescent bodies 12 with socket 11 and beam shaping optics 14 can be chosen.

Bei der Ausführungsform des Beleuchtungskörpers 10 nach 3 ist der Fluoreszenzkörper 12 zwischen zwei transparenten Scheiben 15 aus einem gut wärmeleitenden Material, z. B. einem Kristall oder einer transparenten Keramik, eingeschlossen. Vorzugsweise wird dazu Saphir oder Diamant gewählt, womit der Fluroreszenzkörper 12 rundum seine Wärme effizient ableiten kann. Besonders vorteilhaft ist es für die Wärmeableitung, wenn auch der Fluoreszenzkörper 12 aus mit Fluoreszenzzentren dotierter transparenter Keramik, dotiertem Saphir oder Diamant gebildet wird, da dann Wärmequelle und Wärmeleiter weitgehend zusammenfallen. Dabei kann auch auf eine oder beide der Wärme ableitenden Scheiben 15 verzichtet werden. Die Wärme ableitenden Scheiben 15 können zusätzlich auch optisch abbildende, streuende, reflektierende oder beugende Eigenschaften besitzen.In the embodiment of the lighting fixture 10 to 3 is the fluorescent body 12 between two transparent panes 15 from a good heat-conducting material, eg. As a crystal or a transparent ceramic enclosed. Preferably, sapphire or diamond is chosen, with which the Fluroreszenzkörper 12 all around can dissipate its heat efficiently. It is particularly advantageous for heat dissipation, although the fluorescent body 12 is formed from transparent ceramics, doped sapphire or diamond doped with fluorescence centers, since then the heat source and the heat conductor largely coincide. It can also on one or both of the heat dissipating discs 15 be waived. The heat dissipating discs 15 In addition, they can also have optically imaging, scattering, reflective or diffractive properties.

Die Fassung 11 des Beleuchtungskörpers 10 kann mit Vorteil auch aus einer speziellen Aluminiumlegierung, z. B. Reinaluminium, gefertigt sein, so daß es in einfacher Weise möglich ist, die Oberfläche der konusförmigen Lichtaustrittsöffnung 13 hoch reflektierend zu machen. Wenn die Fassung 11 z. B. aus Kupfer besteht, kann die konusförmige Lichtaustrittsöffnung 13 auch versilbert oder mit Aluminium beschichtet sein. Die bei Bedarf in die Lichtaustrittsöffnung 13 eingefügte Optik 14 (Linsenarray, Prismenarray, Streuscheibe, diffraktives optisches Element, asphärische Linse usw.) formt den Beleuchtungsstrahl z. B. rund oder viereckig und paßt den Abstrahlwinkel an ein hier nicht dargestelltes Beobachtung-Objektiv an. Wesentlich dazu ist der hohle Konuswinkel der Fassung 11. Wichtig ist der Hohlkonus insbesondere in unmittelbarer Nähe des Fluoreszenzkörpers 12. Ab einer Entfernung von ca. 2–10x dem Durchmesser des Fluoreszenzkörpers 12 kann auf die konische Form und die sich daraus ergebende Reflexionsrichtung verzichtet werden. Neben dem dargestellten Konus sind auch andere gekrümmte Formen, wie Parabel, Ellipse, Hyperbel usw., möglich. Solche Formen sollen allgemein als trichterförmig bezeichnet werden.The version 11 of the lighting fixture 10 can with advantage also from a special aluminum alloy, eg. As pure aluminum, be made so that it is possible in a simple manner, the surface of the cone-shaped light exit opening 13 to make highly reflective. If the version 11 z. B. consists of copper, the cone-shaped light exit opening 13 also silvered or coated with aluminum. The if necessary in the light exit opening 13 inserted optics 14 (Lens array, prism array, diffuser, diffractive optical element, aspherical lens, etc.) forms the illumination beam z. B. round or square and adjusts the beam angle to a not shown here observation lens. Essential to this is the hollow cone angle of the socket 11 , Important is the hollow cone, especially in the immediate vicinity of the fluorescent body 12 , From a distance of about 2-10x the diameter of the fluorescent body 12 can be dispensed with the conical shape and the resulting reflection direction. In addition to the illustrated cone, other curved shapes, such as parabola, ellipse, hyperbola, etc., are possible. Such forms should generally be referred to as funnel-shaped.

Der Fluoreszenzkörper 12 ist in den 2 und 3 als Bauelement mit trapezförmigem oder rechteckigem Längsschnitt dargestellt und in eine entsprechend geformte Ausnehmung in dem konusförmigen Teil der Lichtaustrittsöffnung 13 der Fassung 11 eingesetzt. Zur Befestigung kann die Mantelfläche des Fluoreszenzkörpers 12 mit einer lötbaren, metallischen Beschichtung, z. B. Nickel, Gold, Titan, Silber, versehen sein. Dies ermöglicht eine feste Lötverbindung mit gutem Wärmeübergang zur Fassung 11. Im Falle von nicht lötbarem Aluminium als Fassungsmaterial kann auch geklebt werden. Selbstverständlich kann die Befestigung des Fluoreszenzkörpers 12 auch durch Klemmung erfolgen, wodurch ein Austausch erleichtert wird.The fluorescent body 12 is in the 2 and 3 shown as a component with trapezoidal or rectangular longitudinal section and in a correspondingly shaped recess in the cone-shaped part of the light exit opening 13 the version 11 used. For attachment, the lateral surface of the fluorescent body 12 with a solderable, metallic coating, eg. As nickel, gold, titanium, silver, be provided. This allows a solid solder joint with good heat transfer to the socket 11 , In the case of non-solderable aluminum as a frame material can also be glued. Of course, the attachment of the fluorescent body 12 also be done by clamping, whereby an exchange is facilitated.

Da das innerhalb des Fluoreszenzkörpers 12 erzeugte Fluoreszenzlicht in alle Richtungen abgestrahlt wird, ist es vorteilhaft, die Mantelfläche an die Konusform der Lichtaustrittsöffnung 13 anzupassen und vor dem Einsetzen zu verspiegeln. Dies unterstützt eine vorwärts gerichtete Abstrahlung aus dem Fluoreszenzkörper 12 heraus und vermeidet Lichtverluste durch Rückwärtsstreuung.Because that's inside the fluorescent body 12 generated fluorescent light is emitted in all directions, it is advantageous, the lateral surface of the cone shape of the light exit opening 13 adjust and mirror before insertion. This supports forward emission from the fluorescent body 12 out and avoids light loss through backward scattering.

Zur Anpassung des Farbspektrums des Beleuchtungskörpers 10 kann der Fluorenszenzkörper 12 auch aus mehreren Kaskaden-Schichten aufgebaut werden, die unterschiedliche Fluoreszenzfarbstoffe enthalten. Durch Variation der jeweiligen Schichtdicke kann das Farbspektrum beeinflußt werden. Die Schichtdicke kann vorteilhafterweise auf einfache Art durch eine Anzahl dünnerer Scheiben modular zusammengestellt werden. Dies ermöglicht in der Montage eine rasche und einfache Angleichung des Farbspektrums an einen Standard. Das ist insbesondere dann hilfreich, wenn die Herstellung des Fluoreszenzkörpers 12 oder der Fluoreszenzscheiben nicht reproduzierbar ist und Schwankungen im Spektrum unterliegt.To adjust the color spectrum of the lighting fixture 10 can the Fluorenszenzkörper 12 also be constructed of several cascade layers containing different fluorescent dyes. By varying the respective layer thickness, the color spectrum can be influenced. The layer thickness can advantageously be modularly assembled in a simple manner by a number of thinner slices. This allows a quick and easy adjustment of the color spectrum to a standard in the assembly. This is especially helpful when producing the fluorescent body 12 or the fluorescent discs is not reproducible and subject to fluctuations in the spectrum.

Das Konzept der Quasi-Punktlichtquelle wird erfindungsgemäß mit einem am distalen Ende des Einführungsrohres 3 angekoppelten Wechselkopf 16 realisiert.The concept of the quasi-point light source according to the invention with a at the distal end of the insertion tube 3 coupled replaceable head 16 realized.

4 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein kleiner, quasi punktförmiger Fluoreszenzkörper 12 auf einem gut wärmeleitenden Fenster 15, z. B. einer transparenten Keramik-, Saphir- oder Diamantscheibe, angeordnet ist. Der Wechselkopf 16 wird in Pfeilrichtung auf das distale Ende des Einführungsteils 3 geschoben, so daß die Lichtaustrittsfläche der Glasfaser 8 unmittelbar dem Fluoreszenzkörper 12 gegenüber liegt. Diese Anordnung erfordert hohe Positioniergenauigkeiten. Die Bauelemente Fenster 15, Fluoreszenzkörper 12 und Optik 14 können auch in einem Beleuchtungskörper 10 der bereits beschriebenen Art zusammengefaßt und als Einheit in den Wechselkopf 16 eingesetzt sein. 4 shows an embodiment in which a small, quasi point-like fluorescent body 12 on a good heat-conducting window 15 , z. B. a transparent ceramic, sapphire or diamond disc is arranged. The replaceable head 16 is in the direction of the arrow on the distal end of the insertion part 3 pushed, so that the light exit surface of the glass fiber 8th directly to the fluorescent body 12 is opposite. This arrangement requires high positioning accuracy. The construction elements windows 15 , Fluorescent body 12 and optics 14 can also be in a lighting fixture 10 summarized the type already described and as a unit in the replaceable head 16 be used.

Der Optik 14 sind ein Umlenkprisma 17 und ein Beleuchtungs-Objektiv 18 nachgeordnet, mit denen ein um 90° umgelenkter Beleuchtungsstrahlenkegel 19 erzeugt wird. Gestrichelt dargestellt sind übliche Bauelemente zur Videoaufnahme des beleuchteten Objekts.The optics 14 are a deflection prism 17 and a lighting lens 18 downstream, with which a 90 ° deflected illumination beam cone 19 is produced. Shown in dashed lines are conventional components for video recording of the illuminated object.

Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist am distalen Ende des Einführungsteils 3 der Lichtaustrittsfläche der Glasfaser 8 eine Abbildungslinse 20 vorgeschaltet, die das austretende Anregungsstrahlenbündel bei aufgeschobenem Wechselkopf in den Fluoreszenzkörper 12 fokussiert. Der Fluoreszenzkörper 12 ist hier zwischen zwei Wärme ableitenden Fenstern/Scheiben 15 gelagert. Der Fokus der Abbildungslinse 20 ist so eingestellt, daß das Anregungslicht unter Berücksichtigung der Dicke der Scheibe 15 korrekt in den Fluoreszenzkörper 12 hinein fokussiert wird.At the in 5 illustrated embodiment is at the distal end of the insertion part 3 the light exit surface of the glass fiber 8th an imaging lens 20 upstream, the emerging excitation beam in deferred interchangeable head in the fluorescent body 12 focused. The fluorescent body 12 is here between two heat-dissipating windows / windows 15 stored. The focus of the imaging lens 20 is set so that the excitation light taking into account the thickness of the disc 15 correct in the fluorescent body 12 into being focused.

Vorteilhaft bei nicht exakt definierter Position des Wechselkopfes 16 ist die parallele Strahlenführung durch die Schnittstelle zwischen Einführungsteil 3 und Wechselkopf 16, wie sie in 6 dargestellt ist. Am distalen Ende des Einführungsteils 3 ist eine Kollimationslinse 21 angeordnet, die das aus der Lichtaustrittsfläche der Glasfaser 8 austretende Anregungsstrahlenbündel nach unendlich abbildet. In diesem Fall muß das Anregungslicht mit einer im Wechselkopf 16 angeordneten Abbildungslinse 20 auf den Fluoreszenzkörper 12 fokussiert werden. Die Variante ist zwar aufwändiger, sie ermöglicht aber größere Toleranzen bei der Befestigung des Wechselkopfes 16. Mit der kollimierten Strahlführung sind die größten konstruktiven Möglichkeiten offen, da die Weißlicht-Erzeugung an beliebiger Stelle im Wechselkopf 16 vorgesehen werden kann.Advantageous for not exactly defined position of the replaceable head 16 is the parallel beam guidance through the interface between introduction part 3 and replaceable head 16 as they are in 6 is shown. At the distal end of the introducer 3 is a collimation lens 21 arranged, which from the light exit surface of the glass fiber 8th emerging excitation beams to infinity maps. In this case, the excitation light must be in the interchangeable head 16 arranged imaging lens 20 on the fluorescent body 12 be focused. The variant is more complex, but it allows greater tolerances in the attachment of the replaceable head 16 , With the collimated beam guidance, the greatest design options are open because the white light generation at any point in the replaceable head 16 can be provided.

In 7a ist ein größerer Fluoreszenzkörper 22 dem Umlenkprisma 17 nachgeordnet. In den Fluoreszenzkörper 22 wird daher das kollimierte Anregungsstrahlenbündel eingestrahlt. Wegen der über den Strahlenbündelquerschnitt verteilten Strahlungsdichte wird die Leistungsdichte im Fluoreszenzkörper 22 verringert. Die Reduktion der maximalen Strahlungsdichte verringert vorteilhafterweise das Ausbleichen, die Alterung und die Erwärmung des Fluoreszenzkörpers 22. Bei ausreichender Intensität des Anregungsstrahlenbündels kann ein Teil des Anregungslichtes auch noch direkt durch den Fluoreszenzkörper 22 hindurchtreten, wie durch die gepunktete Weiterführung des kollimierten Anregungsstrahlenbündels durch den Beleuchtungsstrahlenkegel 19 hindurch angedeutet ist. Innerhalb des weißen Beleuchtungsstrahlenkegels 19 erscheint dann auf dem beobachteten Objekt ein z. B. blauer Fleck, der als Markierung verwendet werden kann. Die Streueigenschaften des Fluoreszenzkörpers 22 müssen dazu entsprechend angepaßt werden.In 7a is a larger fluorescent body 22 the deflection prism 17 downstream. In the fluorescent body 22 Therefore, the collimated excitation beam is irradiated. Because of the radiation density distributed over the beam cross section, the power density in the fluorescence body becomes 22 reduced. The reduction of the maximum radiation density advantageously reduces fading, aging and heating of the fluorescent body 22 , With sufficient intensity of the excitation beam, a part of the excitation light can also directly through the fluorescent body 22 as by the dotted continuation of the collimated excitation beam through the illumination beam cone 19 is indicated. Inside the white lighting beam cone 19 then appears on the observed object a z. B. bruise, which can be used as a marker. The scattering properties of the fluorescent body 22 must be adapted accordingly.

7b zeigt die gleiche Anordnung, jedoch mit vorwärts gerichteter Beleuchtung und Beobachtung. 7b shows the same arrangement, but with forward lighting and observation.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach 8 wird das kollimierte Anregungsstrahlenbündel durch einen Strahlenteiler 23 in zwei Strahlenbündel aufgespalten. Der an der Strahlenteilerfläche reflektierte Teil wird zur Umwandlung in Weißlicht verwendet. Aus dem durchgelassenen Teil werden in an sich bekannter Weise über nicht weiter bezeichnete optische Elemente zwei parallele Meßstrahlenbündel erzeugt, die im Bild einen Vergleichsmaßstab zur Bildvermessung bilden. Der am Strahlenteiler 23 durchgelassene Teil des Anregungsstrahlenbündels kann auch zur Anregung eines weiteren Fluoreszenzkörpers verwendet werden. Durch mehrere individuell angeregte Fluoreszenzkörper wird eine schattenfreie Ausleuchtung ermöglicht, die Ausfallsicherheit des Systems verbessert oder es können unterschiedliche Farbspektren oder Abstrahlrichtungen eingestellt werden.According to the embodiment 8th becomes the collimated excitation beam through a beam splitter 23 split into two beams. The part reflected at the beam splitter surface is used for conversion to white light. From the transmitted part two parallel measuring beams are generated in a conventional manner on not further designated optical elements, which form a comparative scale for image measurement in the image. The at the beam splitter 23 The transmitted part of the excitation beam can also be used to excite another fluorescence body. By means of several individually excited fluorescence bodies, a shadow-free illumination is made possible, the reliability of the system is improved or different color spectra or emission directions can be set.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach 9a erfolgt ebenfalls eine Teilung des kollimierten Anregungsstrahlenbündels. Der am Strahlenteiler 23 durchgelassene Teil wird über ein diffraktives optisches Element 24 in eine Vielzahl von Strahlenbündeln zur Erzeugung eines Meßmusters aufgespalten. Der Fluoreszenzkörper 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Kugel 25 dargestellt, die von einem transparenten, Wärme leitenden Sockel 26 gehalten wird. Der Sockel 26 und die Kugel 25 werden von einem Reflektor 27 umfaßt. Die Kugelform gewährleistet eine gleichförmige Abstrahlung. Die Abführung der Wärme ist wegen der geringen Kontaktfläche am Sockel 26 jedoch ungünstig.According to the embodiment 9a likewise a division of the collimated excitation beam occurs. The at the beam splitter 23 transmitted part is via a diffractive optical element 24 split into a plurality of radiation beams to produce a measurement pattern. The fluorescent body 12 is in this embodiment as a ball 25 represented by a transparent, heat-conducting pedestal 26 is held. The base 26 and the ball 25 be from a reflector 27 includes. The spherical shape ensures uniform radiation. The dissipation of heat is due to the small contact surface on the base 26 but unfavorable.

Bei dem in 9b dargestellten Ausführungsbeispiel sind dieselben Beleuchtungselemente vorgesehen wie in 9a. Zur Beobachtung des beleuchteten Objektbereichs ist hier jedoch eine Videokamera 28 in den Wechselkopf 16 integriert, die über Kontakte 29 elektrisch mit dem distalen Ende des Einführungsteiles 3 verbunden wird. Der kugelförmige Fluoreszenzkörper 25 ist hier in einen Reflektorkörper 30 eingesetzt, dessen z. B. parabolische innere Reflektorfläche verspiegelt ist. Der Reflektorkörper 30 kann um den kugelförmigen Fluoreszenzkörper 25 herum mit einem transparenten Wärmeleiter 31 ausgefüllt sein.At the in 9b illustrated embodiment, the same lighting elements are provided as in 9a , However, for the observation of the illuminated object area here is a video camera 28 in the replaceable head 16 integrated, via contacts 29 electrically with the distal end of the introduction part 3 is connected. The spherical fluorescent body 25 is here in a reflector body 30 used, whose z. B. parabolic inner reflector surface is mirrored. The reflector body 30 may be around the spherical fluorescent body 25 around with a transparent heat conductor 31 filled out.

Bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele wurde zunächst von der Übertragung einer zur Fluoreszenz anregenden Lichtwellenlänge durch die Glasfaser ausgegangen. Es ist jedoch auch möglich, in die Glasfaser das Licht von mehr als einer Laserdiode mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen einzuspeisen. Im Wechselkopf 16 muß dann im Strahlenteiler 23 die Strahlenteilerfläche mit einer dichroitischen Beschichtung versehen werden, die für die von der Anregungswellenlänge abweichenden Wellenlängen der Strahlung durchlässig ist. Dadurch kann eine für die Meßstrahlung günstigere Farbe, z. B. rot oder grün, für eine bessere Erkennbarkeit eingesetzt werden.In the description of the embodiments, it was initially assumed that the transmission of a fluorescence exciting light wavelength through the glass fiber. However, it is also possible to feed into the optical fiber the light from more than one laser diode with different wavelengths of light. In the replaceable head 16 must then in the beam splitter 23 the beam splitter surface are provided with a dichroic coating which is transparent to the wavelengths of the radiation deviating from the excitation wavelength. As a result, a more favorable for the measuring radiation color, z. B. red or green, are used for better visibility.

Die Vorteile der fasergepumpten Fluoreszenzbeleuchtung können wie folgt zusammengefaßt werden:

  • • Da zur Übertragung des Anregungslichtes im Prinzip nur eine einzige Glasfaser genügt, wird eine bessere Flexibilität des Einführungsteiles gegenüber Verbiegungen bei der Ablenkung des Distalendes erreicht. Die geringere Rückstellkraft einer Einzelfaser gegenüber den herkömmlichen Faserbündeln hat eine Verbesserung der Mechanik zur Folge, da die Einzelfaser viel biegsamer als ein Faserbündel ist. Durch die geringere Rückstellkraft wird der mechanische Ablenkungsvorgang am Distalende präziser.
  • • Aufgrund des großen Durchmessers herkömmlicher Lichtleiterfaserbündel entstehen beim Biegen jeweils an den Innen- und Außenfasern Scherkräfte, die die Fasern ausreißen oder knicken können. Bei einer Einzelfaser entstehen keine Innen-Außen-Zugkräfte.
  • • Der Einzelfaserdurchmesser beträgt mit Schutzmantel nur ca. 80–900 Mikrometer. In einem konventionell beleuchteten Videoendoskop beträgt demgegenüber der Kaltlicht-Bündeldurchmesser zwischen ca. 1 bis 3 mm. Ein Endoskop mit Einzelfaserübertragung des Anregungslichtes kann daher insgesamt mit einem wesentlich geringeren Querschnitt konstruiert werden.
  • • Wenn eine Faser nicht ausreicht, können ohne wesentliche Querschnittserhöhung mehrere Fasern auf einen gemeinsamen Fluoreszenzkörper einstrahlen oder sie können jeweils einen eigenen Fluoreszenzkörper bestrahlen. Somit kann in einfacher Weise die Lichtleistung hochskaliert werden.
  • • Wenn die Fluoreszenzquelle klein ist gegenüber der Strahlformungsoptik, kann die Ausleuchtung dem Gesichtsfeld optimal angepaßt werden.
  • • Durch die Wahl des oder der Fluoreszenzfarbstoffe im Fluoreszenzkörper und/oder durch die Wahl des Anregungslichtes ist das Farbspektrum anpaßbar. So kann z. B. mit Anregung in UV und blau in der gleichen Faser das Spektrum an die zur Farbwiedergabe optimale Schwarzkörperstrahlung angepaßt werden. Es kann auch Licht zum Zwecke der Streuung ohne Nutzung des Fluoreszenzeffektes eingestrahlt werden. Dazu können verschiedene Lichtquellen z. B. mit einem Faserkoppler in eine Einzelfaser eingespeist werden. Durch Austauschen eines Wechselkopfes kann ebenfalls ein Spektrumswechsel erfolgen. Bei der Wahl des Anregungslichtes kann das Farbspektrum sogar während des endoskopischen Betrachtens geändert werden, was z. B. vorteilhaft ist bei Untersuchungen auf Farbveränderungen des Untersuchungsobjekts.
  • • Ist der Fluoreszenzkörper durch Alterung ausgeblichen, gibt er nicht mehr seine maximale Helligkeit ab. Dann ist er z. B. via Austausch eines Wechselkopfes auswechselbar. Es ist auch möglich, nur den Beleuchtungskörper oder nur den Fluoreszenzkörper auszutauschen, wodurch dann ein Maximum an Wiederverwendung der Teile möglich wird. Dies spart Gebrauchskosten gegenüber fest eingebauten Fluoreszenzsystemen.
  • • Weil die Laserdiode in der Versorgungseinheit als Receptacle ausgestaltet ist, kann sie bei Defekt mit dem Receptacle jederzeit ausgetauscht werden. Falls in Zukunft Laserdioden mit größerer Lichtleistung erhältlich sind, kann das endoskopische System jederzeit auf einfache Art aufgerüstet werden, womit die Lichtleistung am Distalende erhöht werden kann. Erfordern dann die höhere Leistung oder eine veränderte Wellenlänge eine Anpassung des Fluoreszenzkörpers, so ist das wegen der erfindungsgemäßen Austauschbarkeit möglich.
  • • Durch die steckbare Verbindung der Übertragungsfaser zur Laserdiode und durch die Positionierung des Fluoreszenzkörpers als separates Bauteil ist die Faser jederzeit austauschbar. Dies ist ein wesentlicher Servicevorteil, da die Faser im Betrieb brechen oder reißen kann.
  • • Bei Verwendung von energieeffizienten Laserdioden zur Speisung der Faser ist ein Batteriebetrieb möglich. Dadurch wird ein mobiler Einsatz des Systems erleichtert.
  • • Durch den Einsatz von größeren Lasern ist die Übertragung von Lichtleistungen bis zu einigen Watt ans Distalende möglich. Die distal abgegebene Lichtmenge wird dann nur durch den Fluoreszenzkörper und dessen thermische Einbindung begrenzt. Durch die Einstrahlung hoher Intensitäten ist es auch möglich, nichtlineare Effekte auszunutzen.
  • • In der Endoskopie stört oft der Effekt, daß bei langen flexiblen Endoskopen, z. B. ab 5 m, das Beleuchtungslicht mit zunehmender Länge zunehmend gelblich wird. Dies rührt von den stärkeren Lichtverlusten der kurzwelligen Spektralanteile in den Lichtleitern her. Wenn mit einem Laser angeregt wird, ist dagegen nur eine Wellenlänge vorhanden. Dadurch ist keine Veränderung des Anregungsspektrums mit der Länge möglich, so daß nach der Umwandlung auch das ausgestrahlte Licht seine Farbe weitgehend unabhängig von der Länge des Endoskops beibehält. Minimale Farbänderungen wegen nicht linearer Umwandlung lassen sich durch Leistungsanpassung bei Bedarf beheben.
  • • Die Fasern für Laserübertragung weisen bei Einstrahlung des Laserlichts mit kleiner numerischer Apertur eine geringere Dämpfung auf als die üblicherweise verwendeten Weißlichtfasern, bei denen die Einstrahlung konventioneller Beleuchtung mit hoher numerischer Apertur erfolgt. Mit dem neuen Beleuchtungssystem sind daher wesentlich längere Endoskope möglich.
  • • Die konventionellen Lichtquellen, wie z. B. Halogenlampen oder Gasentladungslampen, sind technisch an den physikalischen Grenzen angelangt. Bei den Laserdioden oder den Fluoreszenzkörpern ist jedoch zu erwarten, daß ihre Leistungen noch erhöht werden können. Die Technik des neuen Beleuchtungssystems wird daher von der Weiterentwicklung der Komponenten profitieren.
  • • Die Intensität des Fluoreszenzlichts ist dimmbar, ohne daß sich die Farbe wesentlich ändert. Mechanische Teile, wie Blenden oder Absorber sind für eine Abschwächung nicht erforderlich. Eine einfache Reduktion des Anregungslichts reduziert entsprechend die Ausstrahlung des umgewandelten Lichts. Völlig farbneutrale Dimmung ist hingegen durch einfache Pulsweiten-Modulation möglich.
  • • Bei Laserdioden kann durch Modulation des Laserstroms die Intensität des Anregungslichts schnell und mit wenig Aufwand verändert werden. Durch Unterbrechung oder Variation des Anregungslichts kann nahezu sofort z. B. das umgewandelte Licht ausgeschaltet werden. Es muß lediglich noch das extrem kurze Nachleuchten des Fluoreszenzkörpers abgewartet werden. Diese schnelle Modulierbarkeit ist bei Topografie-Meßaufgaben vorteilhaft, die nur kurzzeitig eine spezifische Meßbeleuchtung ohne Weißlichtbeleuchtung erfordern.
  • • Die Montage des Endoskops wird vereinfacht, da keine Faserbäume eingezogen werden müssen.
  • • Die Reparaturmöglichkeiten des Endoskops werden verbessert, da der Austausch einzelner Fasern einfacher ist als der Austausch eines Faserbündels.
  • • Es entfallen die Probleme bei der Abdichtung der porösen Enden der Faserbündel gegen Eindringen von Flüssigkeiten.
  • • Es ist eine Mehrwellenlängen-Anregung mit UV und blau in der gleichen Faser möglich, um z. B. das Spektrum an die Schwarzkörperstrahlung besser anzugleichen. Die Einspeisung in dieselbe Faser kann mit einem Faserkoppler nahezu verlustfrei erfolgen.
The advantages of the fiber-pumped fluorescence illumination can be summarized as follows:
  • Since, in principle, only one single glass fiber suffices for the transmission of the excitation light, a better flexibility of the introduction part is achieved compared to deflections in the deflection of the distal end. The lower restoring force of a single fiber over the conventional fiber bundles results in an improvement of the mechanics, since the single fiber is much more flexible than a fiber bundle. The lower restoring force makes the mechanical deflection process at the distal end more precise.
  • • Due to the large diameter of conventional fiber optic bundles, bending forces occur at the inner and outer fibers, which can rip or bend the fibers. In a single fiber no internal-external tensile forces.
  • • The single fiber diameter with protective jacket is only approx. 80-900 microns. In contrast, in a conventionally illuminated video endoscope, the cold-light bundle diameter is between approximately 1 to 3 mm. An endoscope with single fiber transmission of the excitation light can therefore be constructed overall with a much smaller cross-section.
  • • If one fiber is insufficient, several fibers can radiate onto a common fluorescence body without significant increase in cross-section, or they can each irradiate their own fluorescence body. Thus, the light output can be upscaled in a simple manner.
  • • If the fluorescence source is small compared to the beam shaping optics, the illumination can be optimally adapted to the visual field.
  • By the choice of the fluorescent dye (s) in the fluorescent body and / or by the selection of the excitation light, the color spectrum can be adapted. So z. B. with excitation in UV and blue in the same fiber, the spectrum are adapted to the optimal color reproduction blackbody radiation. Also, light may be irradiated for the purpose of scattering without using the fluorescence effect. For this purpose, various light sources z. B. be fed with a fiber coupler in a single fiber. By replacing a replaceable head can also be done a spectrum change. When choosing the excitation light, the color spectrum can be changed even during endoscopic viewing, which z. B. is advantageous in investigations on color changes of the examination subject.
  • • If the fluorescence body is faded by aging, it no longer gives off its maximum brightness. Then he is z. B. interchangeable via exchange of a replaceable head. It is also possible to replace only the lighting fixture or only the fluorescent fixture, whereby then a maximum of reuse of the parts is possible. This saves on usage costs compared to permanently installed fluorescence systems.
  • • Because the laser diode in the supply unit is designed as a receptacle, it can be replaced at any time in the event of a defect with the Receptacle. If laser diodes with greater light output are available in the future, the endoscopic system can be easily upgraded at any time, thus increasing the light output at the distal end. If the higher power or a changed wavelength then necessitate an adaptation of the fluorescent body, this is possible because of the exchangeability according to the invention.
  • • The fiber is replaceable at any time thanks to the plug-in connection of the transmission fiber to the laser diode and the positioning of the fluorescence body as a separate component. This is a significant service advantage because the fiber can break or crack during operation.
  • • When using energy-efficient laser diodes to feed the fiber, battery operation is possible. This facilitates a mobile use of the system.
  • • The use of larger lasers allows the transmission of light outputs up to a few watts to the distal end. The amount of light emitted distally is then limited only by the fluorescence body and its thermal integration. Due to the irradiation of high intensities, it is also possible to exploit nonlinear effects.
  • • In endoscopy often disturbs the effect that in long flexible endoscopes, eg. B. from 5 m, the illumination light becomes increasingly yellowish with increasing length. This is due to the stronger light losses of the short-wave spectral components in the optical fibers. When excited with a laser, however, only one wavelength is present. As a result, no change in the excitation spectrum with the length is possible, so that after the conversion and the emitted light retains its color largely independent of the length of the endoscope. Minimal color changes due to non-linear conversion can be corrected by adjusting the power as needed.
  • • The laser transmission fibers have less attenuation when exposed to small numerical aperture laser light than the commonly used white-light fibers that emit conventional high numerical aperture illumination. The new lighting system therefore allows much longer endoscopes.
  • • The conventional light sources, such as As halogen lamps or gas discharge lamps are technically reached the physical limits. In the case of the laser diodes or the fluorescent bodies, however, it is to be expected that their powers can still be increased. The technology of the new lighting system will therefore benefit from the further development of the components.
  • • The intensity of the fluorescent light is dimmable without the color changing significantly. Mechanical parts such as diaphragms or absorbers are not required for attenuation. A simple reduction of the excitation light correspondingly reduces the radiation of the converted light. Completely color-neutral dimming is possible by simple pulse width modulation.
  • • With laser diodes, the intensity of the excitation light can be changed quickly and with little effort by modulating the laser current. By interruption or variation of the excitation light can almost immediately z. B. the converted light are turned off. It only needs to wait for the extremely short afterglow of the fluorescent body. This rapid modulation is advantageous in topography measurement tasks that only require a specific measurement illumination without white light illumination for a short time.
  • • Assembly of the endoscope is simplified because no fiber trees need to be retracted.
  • • The repair possibilities of the endoscope are improved, since the replacement of individual fibers is easier than the replacement of a fiber bundle.
  • • Eliminates the problems in sealing the porous ends of the fiber bundles against ingress of liquids.
  • • It is possible a multi-wavelength excitation with UV and blue in the same fiber to z. B. to better match the spectrum of the black body radiation. The feeding into the same fiber can be done almost lossless with a fiber coupler.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Endoskopisches SystemEndoscopic system
22
Okulareyepiece
33
Einführungsteilintroduction part
44
Versorgungseinheitsupply unit
55
AnregungsstrahlenquelleStimulating ray source
66
Laserdiodelaser diode
77
Kopplungsoptikcoupling optics
88th
Glasfaserglass fiber
8a8a
abgedünntes Distalende der Glasfaserthinned distal end of the fiberglass
99
LichtleiterkabelOptical fiber cable
1010
Beleuchtungskörperlighting
1111
Fassungversion
1212
Fluoreszenzkörperfluorescent body
1313
LichtaustrittsöffnungLight opening
1414
optisches Elementoptical element
1515
Wärme ableitende Scheibe/FensterHeat-dissipating pane / window
1616
Wechselkopfchange head
1717
Umlenkprismadeflecting prism
1818
Beleuchtungs-ObjektivLighting Lens
1919
BeleuchtungsstrahlenkegelIllumination beam cone
2020
Abbildungslinseimaging lens
2121
Kollimationsoptikcollimating optics
2222
größerer Fluoreszenzkörperlarger fluorescence body
2323
Strahlenteilerbeamsplitter
2424
Diffraktives Optisches ElementDiffractive optical element
2525
kugelförmiger Fluoreszenzkörperspherical fluorescent body
2626
Wärme leitender SockelHeat conductive base
2727
Reflektorreflector
2828
Videokameravideo camera
2929
elektrische Kontakteelectrical contacts
3030
Reflektorkörperreflector body
3131
transparenter Wärmeleitertransparent heat conductor

Claims (12)

Endoskopisches System (1) mit in einer proximalen Versorgungseinheit (4) angeordneter Anregungsstrahlenquelle (5), mit einer optischen Strahlungs-Übertragungsstrecke in einem Einführungsteil (3) und einem distalseitigen Fluoreszenzumsetzer, wobei als Anregungsstrahlenquelle (5) eine im kurzwelligen sichtbaren Spektralbereich emittierende Laserdiode (6) und als optische Übertragungsstrecke eine Glasfaser (8) vorhanden sind und der Fluoreszenzumsetzer zur Umwandlung in Weißlicht geeignet ist, und bei dem als Fluoreszenzumsetzer ein Fluoreszenzkörper (12, 22, 25) als separates, austauschbares Bauteil der Lichtaustrittsfläche der Glasfaser (8) nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluoreszenzkörper (12, 22, 25) in einem an das Einführungsteil (3) ankoppelbaren Wechselkopf (16) angeordnet ist, wobei am distalseitigen Ende des Einführungsteils (3) eine Abbildungsoptik (21) zur Erzeugung eines kollimierten Strahlenbündels aus dem aus der Lichtaustrittsfläche der Glasfaser (8) austretenden Anregungsstrahlenbündels angeordnet ist und der Wechselkopf (16) zur Erzeugung eines Beleuchtungs- und/oder Meßstrahlenbündels mit weiteren optischen Bauelementen (14, 17, 18, 20, 23, 24, 27, 30) und wärmeableitenden Bauelementen (15, 26, 31) ausgebildet ist. Endoscopic system ( 1 ) in a proximal supply unit ( 4 ) arranged excitation radiation source ( 5 ), with an optical radiation transmission path in an insertion part ( 3 ) and a distal-side fluorescence converter, wherein as excitation radiation source ( 5 ) a laser diode emitting in the short-wave visible spectral range (US Pat. 6 ) and as optical transmission line a glass fiber ( 8th ) and the fluorescence converter is suitable for conversion into white light, and in which a fluorescence element (as fluorescence converter) ( 12 . 22 . 25 ) as a separate, exchangeable component of the light exit surface of the glass fiber ( 8th ), characterized in that the fluorescent body ( 12 . 22 . 25 ) in one to the introductory part ( 3 ) coupleable head ( 16 ) is arranged, wherein at the distal end of the insertion part ( 3 ) an imaging optics ( 21 ) for generating a collimated beam from the light exit surface of the glass fiber ( 8th ) Exiting excitation beam is arranged and the replaceable head ( 16 ) for generating a lighting and / or measuring beam with other optical components ( 14 . 17 . 18 . 20 . 23 . 24 . 27 . 30 ) and heat-dissipating components ( 15 . 26 . 31 ) is trained. Endoskopisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fluoreszenzkörper (12, 22) in dem Wechselkopf (16) ein Wärme ableitendes Fenster (15) vor- oder/und nachgeordnet ist.Endoscopic system according to claim 1, characterized in that the fluorescent body ( 12 . 22 ) in the replaceable head ( 16 ) a heat dissipating window ( 15 ) is preceding or / and downstream. Endoskopisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluoreszenzkörper (12, 22) zwischen zwei Wärme leitende Fenster (15) eingeaßt ist.Endoscopic system according to claim 1, characterized in that the fluorescent body ( 12 . 22 ) between two heat-conducting windows ( 15 ). Endoskopisches System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Fenster (15) als Diamantscheibe oder transparentes, diamantbeschichtes Element ausgeführt ist. Endoscopic system according to claim 2 or 3, characterized in that at least one window ( 15 ) is designed as a diamond wheel or transparent, diamond-coated element. Endoskopisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wechselkopf (16) eine Abbildungslinse (20) zur Fokussierung des kollimierten Anregungsstrahlenbündels auf den Fluoreszenzkörper (12, 22) angeordnet ist.Endoscopic system according to claim 1, characterized in that in the replaceable head ( 16 ) an imaging lens ( 20 ) for focusing the collimated excitation beam onto the fluorescent body ( 12 . 22 ) is arranged. Endoskopisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wechselkopf (16) ein optisches Element (14) zur Anpassung der Strahlungsdichte des kollimierten Anregungsstrahlenbündels an die geometrischen und fluoreszenzoptischen Eigenschaften des Fluoreszenzkörpers (12, 22) angeordnet ist.Endoscopic system according to claim 1, characterized in that in the replaceable head ( 16 ) an optical element ( 14 ) for adapting the radiation density of the collimated excitation beam to the geometric and fluorescence-optical properties of the fluorescent body ( 12 . 22 ) is arranged. Endoskopisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wechselkopf (16) lichteintrittsseitig ein Strahlen-Umlenkelement (17) angeordnet ist.Endoscopic system according to claim 1, characterized in that in the replaceable head ( 16 ) on the light entry side a beam deflecting element ( 17 ) is arranged. Endoskopisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlen-Umlenkelement (17) als Strahlenteiler (23) ausgebildet ist.Endoscopic system according to claim 7, characterized in that the beam deflecting element ( 17 ) as a beam splitter ( 23 ) is trained. Endoskopisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (23) als Würfelelement mit strahlenteilender und strahlenumlenkender Kittfläche ausgebildet ist. Endoscopic system according to claim 8, characterized in that the beam splitter ( 23 ) is designed as a cube element with beam-splitting and radiation-deflecting cemented surface. Endoskopisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Versorgungseinheit (4) mindestens eine weitere Strahlenquelle mit Emission im roten oder grünen Spektralbereich und zur Einkopplung in die Glasfaser (8) vorhanden ist, wobei der Strahlenteiler (23) mit einer dichroitischen Beschichtung zur Reflexion oder Transmission der weiteren Strahlung versehen ist.Endoscopic system according to claim 8, characterized in that in the supply unit ( 4 ) at least one further radiation source with emission in the red or green spectral range and for coupling into the glass fiber ( 8th ), the beam splitter ( 23 ) is provided with a dichroic coating for reflection or transmission of the further radiation. Endoskopisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fluoreszenzkörper (12, 22) lichtaustrittsseitig optische Abbildungsmittel (14, 18) zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahlenbündels mit vorgegebener Apertur vorgeschaltet ist.Endoscopic system according to claim 1, characterized in that the fluorescent body ( 12 . 22 ) light-emitting optical imaging means ( 14 . 18 ) is connected upstream for generating a light beam having a predetermined aperture. Endoskopisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluoreszenzkörper (12, 22, 25) ringsum von einem transparenten wärmeleitenden Medium (31) umgeben ist.Endoscopic system according to claim 1, characterized in that the fluorescent body ( 12 . 22 . 25 ) around a transparent heat-conducting medium ( 31 ) is surrounded.
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