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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Endoskop, insbesondere ein Kontaktendoskop, nach dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche 1 und 7.
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Endoskopische Untersuchungstechniken haben sich in einer Vielzahl von medizinischen und tiermedizinischen Anwendungsgebieten durchgesetzt. Dabei wird ein Endoskop, das einen langerstreckten Schaft mit einem abbildenden optischen System aufweist, in das Körperinnere eingeführt, beispielsweise in einen körperinneren Hohlraum, um dort ein Bild eines Objektfelds aufzunehmen und nach außerhalb des Körpers zu übertragen und dadurch für die Betrachtung bzw. Auswertung bereitzustellen. In zunehmendem Maße werden Videoendoskope eingesetzt, die einen elektronischen Bildaufnehmer zur Aufnahme des Bilds des Objektfelds aufweisen.
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In vielen Fällen ist eine Gewebeuntersuchung für eine sichere Diagnose unerlässlich. Hierfür sind Kontaktendoskope bekannt, die ein auf Kontakt mit zu untersuchendem Gewebe ausgelegtes optisches System aufweisen, das eine hochauflösende Bildgebung ermöglicht. Zur Beleuchtung des Objektfelds wird üblicherweise das von einer im proximalen Bereich des Endoskops angeordneten Lichtquelle erzeugte Beleuchtungslicht mit Hilfe von Lichtleitfasein zum distalen Ende des Schafts des Endoskops geführt, wo es im Wesentlichen in axialer Richtung nach distal austritt. Aufgrund des geringen Abstands zum Objektfeld ist bei Kontaktendoskopen häufig keine ausreichend helle und/oder ausreichend homogene Ausleuchtung des Objektfelds erreichbar. Dies gilt insbesondere bei Fluoreszenzuntersuchungen, wobei in einen kurzwelligen Wellenlängenbereich eine Fluoreszenzanregungsstrahlung auf einen zu untersuchenden Gewebebereich eingestrahlt und die vom Gewebe abgegebene Fluoreszenzstrahlung in einem längerwelligen Wellenlängenbereich beobachtet wird.
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Gleichzeitig ist in vielen Anwendungsfällen der zulässige Außendurchmesser des Endoskops eng beschränkt, so dass eine miniaturisierte Ausführung des abbildenden optischen Systems und des Beleuchtungssystems erforderlich ist.
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In
DE 10 2006 046 555 B4 ist ein miniaturisiertes optisch abbildendes System mit hoher lateraler und axialer Auflösung beschrieben, das insbesondere für endoskopische Anwendungen bestimmt ist. Das miniaturisierte optisch abbildende System umfasst eine refraktive plankonvexe homogene optische Linse, die mit ihrer planen Seite eine ebene Eintrittsfläche des optischen Systems definiert, eine erste GRIN-Linse zur Divergenzreduktion des vom Objektfeld durch die refraktive Linse übertragenen Lichtbündels und eine zweite GRIN-Linse zum Anpassen des von der ersten GRIN-Linse übertragenen Lichtbündels an ein nachfolgendes optisches Übertragungssystem zu einer Sensoreinheit. Das Übertragungssystem weist einen gegenüber der Übertragungslänge geringen Durchmesser auf und ist beispielsweise als flexibles Bildleitfaserbündel oder als starre Relayoptik ausgebildet. Zur Lichteinkopplung ist entlang der optischen Achse eine dünne Anregungsfaser angeordnet. Für Fluoreszenzbeobachtungen kann zwischen der ersten und der zweiten GRIN-Linse ein als Strahlteiler ausgebildetes Umlenkelement angeordnet sein, wobei der Strahlteiler eine dichroitisch strahlteilende Beschichtung aufweist, die das Anregungslicht in Transmission durchlässt und die vom Objekt emittierte Strahlung reflektierend umlenkt.
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Aus
EP 1 545 290 B1 ist ein Endoskop zur Beleuchtung und Beobachtung von Objektfeldern in Hohlräumen bekannt, das eine Beleuchtungseinheit und ein Bildübertragungssystem aufweist, dem distalseitig ein Objektiv und proximalseitig eine Okular- oder Kameraoptik als Beobachtungssystem zugeordnet sind. Proximalseitig ist zwischen die Beleuchtungseinheit, das Bildübertragungssystem und das Beobachtungssystem ein optisches Teilerelement für zueinander komplementäre Licht-Polarisationen oder Wellenlängenbereiche und Licht-Polarisationen derart eingefügt, dass das von der Beleuchtungseinheit erzeugte Beleuchtungslicht in das Bildübertragungssystem einkoppelbar ist.
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In
JP H06-34889 A ist ein Endoskop mit einer Endoskopspitze offenbart, wobei ein gemeinsamer Lichtweg des Beleuchtungssystems und des Bildaufnahmesystems aus einen teilverspiegelten Spiegel und einem Objektiv aufgebaut ist. Beleuchtungslicht aus einem Lichtleiter wird von einem Spiegel reflektiert, von einer Diffusorlinse gestreut und von dem teilverspiegelten Spiegel zum Durchtritt durch die Objektivlinse reflektiert, um als Beleuchtungslicht zum Beobachten eines beabstandeten Körpers zu dienen.
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Die
JP 2002023067 A beschreibt ein Objektivsystem mit einem optischen Beobachtungspfad und einem optischen Beleuchtungspfad, wobei auf der Rückseite des Objektivsystems eine 1/4-Wellenlängenplatte und ein kubisches Polarisationsprisma mit einem optischen Übertragungsweg zum Ausgeben des Lichts der Lichtquelle und einem optischen Reflexionsweg zum Leiten des Lichts vom Objektivsystem zu einem CCD Sensor angeordnet sind. Mittels des Polarisationsprismas wird eine Trennebene für polarisiertes Licht bereitgestellt, wobei das durch das Polarisationsprisma umgewandelte p-polarisierte Licht der Lichtquelle durch die 1/4-Wellenlängenplatte in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt und von dem Objektivsystem abgestrahlt wird. Hingegen wird reflektiertes Licht von einem zu beobachtenden Objekt durch die 1/4-Wellenlängenplatte in s-polarisiertes Licht umgewandelt und durch das Polarisationsprisma über den optischen Reflexionsweg zum CCD Sensor geleitet. Ein Kontaktendoskop ist in der
JP 2002023067 A als auch in der
JP 2011245019 A ebenfalls nicht offenbart.
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Die
JP 2011245019 A betrifft eine Bildaufnahmeeinheit für das vordere Ende einer Endoskopvorrichtung, wobei die Bildaufnahmeeinheit einen Beleuchtungslicht-Zuführabschnitt zum Emittieren von Licht zum Beleuchten eines Objekts, ein Halbspiegelprisma zum Hindurchtreten des von dem Beleuchtungslichtzufuhrabschnitt emittierten Lichtes in Richtung des Objekts und zum Reflektieren des von der Objektseite einfallenden Lichtes in eine Richtung, welche sich von den Richtungen zum Beleuchtungslichtzufuhrabschnitt und zum Objekt hin unterscheidet, und ein Bilderfassungselement zum Empfangen des von dem Halbspiegelprisma in die andere Richtung reflektierten Lichts und zum Umwandeln des empfangenen Lichts in ein elektrisches Signal umfasst.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Endoskop anzugeben, insbesondere ein Kontaktendoskop, das eine verbesserte Beleuchtung eines Objektfelds, insbesondere eines in Kontakt mit einem distalen Fenster des Endoskops stehenden Gewebebereichs, und eine möglichst hohe Auflösung und verlustfreie Bildgebung ermöglicht und dabei zugleich mit einem möglichst geringen Durchmesser ausgebildet ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Endoskop gemäß den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 7 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein erfindungsgemäßes Endoskop umfasst einen langerstreckten Schaft, der insbesondere zum Einführen in einen körperinneren Hohlraum bzw. zum Einführen in einen in einen solchen Hohlraum oder in menschliches oder tierisches Gewebe einführbaren Außenschaft oder einen Arbeitskanal eines Endoskops oder eines endoskopischen Instruments geeignet ist. Der Schaft ist vorzugsweise mit einem geringen Durchmesser von etwa einem bis wenigen Millimetern und einer demgegenüber wesentlich größeren Länge ausgebildet. Der Schaft kann beispielsweise auch zur Einführung in eine Biopsienadel geeignet sein. Vorzugsweise ist der Schaft starr ausgebildet, kann aber auch halbstarr oder flexibel sein.
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In einem distalen Endbereich des Schafts ist ein Objektiv zum Abbilden eines Objektfelds in einer Bildebene angeordnet, die insbesondere die erste Bildebene im Strahlengang der abbildenden Optik ist. Das Objektfeld kann ein Oberflächenbereich in einem körperinneren Hohlraum sein, in den der Schaft des Endoskops eingeführt worden ist. Vorzugsweise ist das Objektfeld ein in Kontakt mit einem distalen Endbereich des Schafts, insbesondere mit einem Eintrittsfenster des Objektivs, stehender Bereich eines menschlichen oder tierischen Gewebes. Ein für die Beobachtung von in Kontakt mit dem distalen Endbereich des Schafts befindlichem Gewebe ausgebildetes Endoskop wird auch als „Kontaktendoskop“ bezeichnet. Im vorliegenden Zusammenhang wird auch dann, wenn ein Objektfeld bzw. ein zu beobachtender Gewebebereich nicht unmittelbar in Kontakt mit einem Eintrittsfenster des Obj ektivs steht, sondern von diesem einen geringen Abstand von beispielsweise weniger als ca. 100 µm aufweist, von „Kontakt“ gesprochen. Das erfindungsgemäße Endoskop ist als Kontaktendoskop ausgebildet.
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Das Objektiv umfasst einen Strahlteiler. Der Strahlteiler ist im Strahlengang des vom Objektfeld in das Objektiv eintretenden Lichts vor der Bildebene angeordnet und kann beispielsweise als Teilerwürfel ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Strahlteiler in einem Bereich des Strahlengangs des Objektivs angeordnet, in dem der Beobachtungsstrahlengang, d.h. der Strahlengang des vom Objektfeld aufgenommenen und in der Bildebene abgebildeten Lichts, näherungsweise parallel ist. Der Strahlteiler weist insbesondere eine strahlteilende, zu einer optischen Achse des Objektivs schräg stehende Teilerfläche auf.
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Weiterhin weist das erfindungsgemäße Endoskop einen elektronischen Bildaufnehmer bzw. optoelektronischen Bildwandler auf, der zum Aufnehmen des in der Bildebene erzeugten Bilds des Objektfelds dient. Das Endoskop ist somit als Videoendoskop ausgebildet. Der Bildaufnehmer ist insbesondere über eine elektrische Leitung mit einer Versorgungs-, Anzeige- und/oder Speichereinrichtung verbindbar, um den Bildaufnehmer zu betreiben und das aufgenommene Bild des Objektfelds, das etwa in Kontakt mit dem distalen Endbereich des Schafts befindliches Gewebe darstellt, für einen Benutzer anzuzeigen und für die weitere Auswertung bereitzustellen.
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Ferner umfasst das Endoskop einen Lichtleiter zum Weiterleiten einer Beleuchtungsstrahlung von einem proximalen Bereich des Schafts zum distalen Endbereich des Schafts. Der proximale Bereich des Schafts kann insbesondere ein proximaler Endbereich des Schafts sein. Im proximalen Bereich des Schafts kann eine Lichtquelle angeordnet oder mit dem Endoskop verbindbar sein, wobei die Lichtquelle beispielsweise eine Weißlichtquelle, etwa eine Xenonlampe, eine Superlumineszenzdiode, eine Leuchtdiode und/oder eine Laserlichtquelle umfassen kann, deren Licht in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Der Lichtleiter kann durch eine oder mehrere Lichtleitfasern gebildet werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter „Strahlung“ insbesondere sichtbares Licht, aber auch Strahlung im ultravioletten oder im infraroten Spektralbereich verstanden. Auch der Ausdruck „Licht“ bezieht sich hier sowohl auf sichtbares Licht wie auf die angrenzenden Spektralbereiche.
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Erfindungsgemäß ist eine Sensorfläche des Bildaufnehmers in der Bildebene des Objektivs angeordnet, um das vom Objektiv erzeugte Bild des Objektfelds aufzunehmen. Der Bildaufnehmer ist somit im distalen Endbereich des Schafts angeordnet; derartige Endoskope werden auch als „Chip-on-the-tip-Endoskope“ bezeichnet. Der Bildaufnehmer kann beispielsweise ein CCD- oder ein CMOS-Sensor sein.
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Erfindungsgemäß weist der Lichtleiter einen Austrittsabschnitt auf, wobei der Austrittsabschnitt zum Weiterleiten mindestens eines Teils der Beleuchtungsstrahlung zum Strahlteiler angeordnet und ausgebildet ist. Der Strahlteiler ist zum Einkoppeln zumindest eines Teils der vom Austrittsabschnitt zum Strahlteiler weitergeleiteten Beleuchtungsstrahlung in einen Strahlengang des Objektivs zum Beleuchten des Objektfelds angeordnet und ausgebildet.
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Dadurch, dass die Sensorfläche des Bildaufnehmers in der Bildebene des Objektivs und somit im distalen Endbereich des Schafts angeordnet ist, wird es ermöglicht, auf ein optisches Bildübertragungssystem zu verzichten. Hierdurch können die Lichtverluste vermieden werden, die bei der Übertragung des vom Objektiv erzeugten Bilds zum proximalen Endbereich des Endoskops durch ein solches Bildübertragungssystem entstehen würden, das beispielsweise Relaislinsen oder ein geordnetes Bündel von Lichtleitfasern umfasst. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Objektivs und des Bildaufnehmers kann eine hohe numerische Apertur und somit eine hohe Auflösung erzielbar sein. Weiterhin wird es dadurch, dass ein Austrittsabschnitt des Lichtleiters und der im Objektiv angeordnete Strahlteiler zum Weiterleiten zumindest eines Teils der Beleuchtungsstrahlung zum Objektfeld ausgebildet sind, ermöglicht, Beleuchtungsstrahlung in den Strahlengang des Objektivs einzukoppeln und aus Richtung einer optischen Achse des Objektivs auf das Objektfeld einzustrahlen, wodurch eine verbesserte Beleuchtung erzielbar ist. Insbesondere kann hierdurch eine hellere und homogenere Ausleuchtung des Objektfelds erreicht werden und somit ein helleres und homogeneres Bild. Ferner kann hierdurch ein besonders hoher Miniaturisierungsgrad des distalen Endbereichs des Schafts des Endoskops erreichbar und der Endoskopschaft mit einem sehr geringen Durchmesser realisierbar sein, insbesondere bei Verwendung eines entsprechend miniaturisierten Bildaufnehmers. Ein erfindungsgemäßes Endoskop kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass es in einen Arbeitskanal eines anderen Endoskops oder eines endoskopischen Instruments eingeführt und mit diesem gemeinsam verwendet werden kann oder in ein derartiges Instrument integriert sein kann, beispielsweise in eine Biopsiezange.
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Erfindungsgemäß ist der Austrittsabschnitt des Lichtleiters zum Weiterleiten zumindest eines Teils der Beleuchtungsstrahlung in einer axialen Richtung ausgebildet, und der Strahlteiler ist zum Durchlassen zumindest eines Teils der Beleuchtungsstrahlung in axialer Richtung zum Beleuchten des Objektfelds und zur Umlenkung zumindest eines Teils einer vom Objektfeld aufgenommenen Strahlung ausgebildet. Demgemäß erfolgt die Beleuchtung des Objektfelds somit im Wesentlichen ohne Umlenkung, d.h. der vom Austrittsabschnitt des Lichtleiters zum Strahlteiler weitergeleitete Teil der Beleuchtungsstrahlung wird in Richtung der Achse des Endoskops zum Strahlteiler weitergeleitet und von diesem zur Beleuchtung des Objektfelds in axialer Richtung zumindest teilweise durchgelassen. Der Austrittsabschnitt des Lichtleiters kann eine distale Endfläche des Lichtleiters sein, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Lichtleiters steht. Bei dieser Ausführungsform umfasst der Beobachtungsstrahlengang eine Umlenkung, wobei zumindest ein Teil der vom Objektfeld aufgenommenen Beobachtungsstrahlung vom Strahlteiler in Richtung auf den Bildaufnehmer umgelenkt wird. Der Bildaufnehmer ist hierbei derart angeordnet, dass der vom Strahlteiler umgelenkte Teil der vom Objektfeld in das Objektiv eintretenden Strahlung auf die Sensorfläche abgebildet wird. Die Bildebene des Objektivs kann hierbei insbesondere derart angeordnet sein, dass die Normalenrichtung der Bildebene senkrecht zur Längsachse des Endoskops steht, d.h. die Sensorfläche des Bildaufnehmers ist ebenfalls mit ihrer Normalenrichtung senkrecht zur Längsachse angeordnet. Der Bildaufnehmer ist somit „liegend“ im Schaft des Endoskops aufgenommen. Hierdurch wird eine Anordnung mit einem besonders hohen Miniaturisierungsgrad ermöglicht, insbesondere bei Verwendung eines Bildaufnehmers mit einer rechteckigen Sensorfläche mit zwei unterschiedlich langen Kanten. Ferner wird hierdurch eine zum Beobachtungsstrahlengang im Wesentlichen koaxiale Beleuchtung ermöglicht, die eine besonders helle und gleichmäßige Ausleuchtung des Objektfelds gestattet.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Austrittsabschnitt des Lichtleiters zur Umlenkung zumindest eines Teils der Beleuchtungsstrahlung aus einer axialen in eine außeraxiale, zum Strahlteiler weisende Richtung ausgebildet. Der Strahlteiler ist zur Umlenkung zumindest eines Teils der vom Austrittsabschnitt zum Strahlteiler weitergeleiteten Beleuchtungsstrahlung in Richtung zum Objektfeld zur Beleuchtung des Objektfelds ausgebildet und angeordnet, d.h. der vom Strahlteiler umgelenkte Teil der Beleuchtungsstrahlung wird in den Strahlengang des Objektivs eingekoppelt und in distaler Richtung zum Objektfeld weitergeleitet. Weiter ist der Strahlteiler derart ausgebildet, dass zumindest ein Teil der vom Objektfeld in das Objektiv eintretenden Strahlung in einer axialen Richtung zum Bildaufnehmer ausgebildet ist. Gemäß dieser Ausführungsform erfolgt die Beleuchtung des Objektfelds somit über eine Umlenkung im Austrittsabschnitt des Lichtleiters und über eine weitere Umlenkung im Strahlteiler, wodurch zumindest ein Teil der Beleuchtungsstrahlung in axialer Richtung in den Strahlengang des Objektivs eingekoppelt wird. Andererseits wird der Beobachtungsstrahlengang im Strahlteiler nicht umgelenkt, sondern der Bildaufnehmer ist derart angeordnet, dass der vom Strahlteiler durchgelassene Teil der vom Objektfeld in das Objektiv eintretenden Strahlung auf die Sensorfläche abgebildet wird. Die Bildebene des Objektivs kann hierbei insbesondere derart angeordnet sein, dass die Normalenrichtung der Bildebene parallel zur Längsachse des Endoskops steht, d.h. die Sensorfläche des Bildaufnehmers ist im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse angeordnet. Hierdurch wird auf einfache Weise eine effiziente Beleuchtung des Objektfelds und eine Beobachtung mit hoher Auflösung ermöglicht.
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Erfindungsgemäß umfasst der Austrittsabschnitt eine schräg zu einer Längsachse des Lichtleiters stehende zumindest teilreflektierende, beispielsweise teilverspiegelte, Umlenkfläche, die zur Umlenkung zumindest eines Teils der Beleuchtungsstrahlung zum Strahlteiler ausgebildet ist. Die Umlenkfläche kann als im Wesentlichen ebene Fläche ausgebildet sein, deren Normale in einer schräg zur Längsachse des Schafts und somit schräg zur Längsachse des Lichtleiters gerichteten Richtung steht.
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Vorzugsweise umfasst der Lichtleiter mindestens eine Lichtleitfaser, und die Umlenkfläche ist eine schräge Endfläche der mindestens einen Lichtleitfaser. Insbesondere kann der Lichtleiter genau eine Lichtleitfaser umfassen, mit Hilfe derer Beleuchtungsstrahlung vom proximalen Bereich des Schafts zum distalen Endbereich geführt wird, und die Umlenkfläche ist eine schräg angeschliffene Endfläche der Lichtleitfaser. Hierdurch wird auf besonders einfache Weise eine Umlenkung zumindest eines Teils der Beleuchtungsstrahlung in Richtung zum Strahlteiler zur Einkopplung in den Strahlengang des Objektivs ermöglicht.
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Vorzugsweise ist die Endfläche der Lichtleitfaser zumindest teilweise verspiegelt, so dass mindestens ein Teil der Beleuchtungsstrahlung durch Reflexion an der Endfläche umgelenkt wird. Dadurch, dass die Umlenkfläche eine schräge Endfläche der mindestens einen Lichtleitfaser ist, wird auf einfache Weise ein besonders hoher Grad an Miniaturisierung ermöglicht. Ferner ist eine besonders kostengünstige Herstellung möglich, da kein weiteres umlenkendes Bauelement notwendig ist. Weiterhin ist es in der Regel nicht notwendig, den Mantel (Cladding) der Lichtleitfaser zu entfernen, sondern die Weiterleitung des an der Umlenkfläche umgelenkten Teils des Beleuchtungslichts kann durch den Mantel hindurch erfolgen, da aufgrund des größeren Winkels zur Längsachse der Lichtleitfaser keine Totalreflektion an der Grenzfläche zwischen dem Kern und dem Mantel auftritt. Alternativ kann der Austrittsabschnitt des Lichtleiters beispielsweise als Umlenkprisma oder Teilerwürfel ausgebildet sein.
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In besonders vorteilhafter Weise werden die Umlenkfläche des Lichtleiters und die Teilerfläche des Strahlteilers jeweils durch eine ebene Fläche gebildet, die parallel zueinander stehen. Vorzugsweise verläuft die Längsachse der mindestens einen Lichtleitfaser des Lichtleiters im distalen Endbereich des Lichtleiters parallel zur Längsachse des Schafts im distalen Endbereich des Schafts, so dass die Normalenrichtungen der Umlenkfläche des Lichtleiters und der Teilerfläche des Strahlteilers mit der Längsachse des Schafts einen gleichen Winkel einschließen, der beispielsweise im Bereich von etwa 30° bis etwa 45° liegen kann. Beide Flächen stehen somit im gleichen Winkel, schräg zur Längsachse des Endoskops, wobei die Normalenrichtungen der Umlenkfläche des Lichtleiters und der Spiegelfläche des Strahlteilers sowie die Längsachsen des Schafts und der Lichtleitfaser in einer Ebene liegen. Hierdurch werden eine besonders effiziente Lichtumlenkung sowie eine besonders kompakte Bauart und ein besonders hoher Grad der Miniaturisierung ermöglicht. Insbesondere können die Umlenkfläche des Lichtleiters und die Teilerfläche des Strahlteilers derart angeordnet sein, dass ein entlang der Mittellängsachse der Lichtleitfaser verlaufender Beleuchtungsstrahl näherungsweise in die optische Achse des Objektivs eingekoppelt wird. Hierdurch kann eine koaxiale Beleuchtung, die auf einfache Weise eine besonders lichtstarke und gleichmäßige Ausleuchtung des Objektfelds ermöglicht, realisiert werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verläuft die mindestens eine Lichtleitfaser des Lichtleiters in ihrem distalen Endbereich im Wesentlichen parallel zum Schaft des Endoskops in dessen distalem Endbereich, und die Flächennormale der Umlenkfläche des Lichtleiters bildet mit der Längsachse des Lichtleiters bzw. des Schafts einen Winkel von mehr als 0° und weniger als 90°, vorzugsweise zwischen 20° und 50°, weiter vorzugsweise zwischen 30° und 45°, insbesondere etwa 30° oder 45°. Zumindest ein Teil des Beleuchtungslichts wird daher in einem Winkel von vorzugsweise zwischen 40° und 100°, weiter vorzugsweise zwischen 60° und 90°, insbesondere in einem Winkel von etwa 60° oder 90° zur Längsachse des Endoskops reflektiert. Weiterhin schließt gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung die Normale der Teilerfläche des Strahlteilers mit einer Längsachse des Schafts ebenfalls einen Winkel von vorzugsweise zwischen 20° und 50°, weiter vorzugsweise zwischen 30° und 45°, insbesondere etwa 30° oder 45° ein, so dass der von der Umlenkfläche zum Strahlteiler weitergeleitete Teil des Beleuchtungslichts an der Teilerfläche des Strahlteilers den gleichen Winkel an der Umlenkfläche des Lichtleiters, beispielsweise ebenfalls um etwa 60° oder 90°, umgelenkt wird und dadurch in distaler Richtung im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Schafts zum Objektfeld weitergeleitet wird. In besonders vorteilhafter Weise können die Umlenkfläche des Lichtleiters und die Teilerfläche des Strahlteilers derart angeordnet sein, dass ein entlang der Mittellängsachse der Lichtleitfaser verlaufender Beleuchtungsstrahl näherungsweise in die optische Achse des Objektivs und somit koaxial in den Strahlengang des Objektivs eingekoppelt wird. Hierdurch werden eine besonderes effiziente Weiterleitung des Beleuchtungslichts zum Objektfeld und eine besonders helle und gleichmäßige Ausleuchtung des Objektfelds ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Umlenkfläche des Lichtleiters dichroitisch strahlteilend ausgebildet, beispielsweise als mit einer dichroitischen Beschichtung versehene schräge Endfläche mindestens einer Lichtleitfaser des Lichtleiters. Die Umlenkfläche des Lichtleiters ist insbesondere zum Durchlassen eines Teils der Beleuchtungsstrahlung ausgebildet, wobei der durchgelassene Teil der Beleuchtungsstrahlung beispielsweise von einem weiteren Lichtleiter aufgenommen und zum Objektfeld weitergeleitet werden kann. Der transmittierte und zum Objektfeld weitergeleitete Teil der Beleuchtungsstrahlung kann beispielsweise für eine Weißlichtbeleuchtung des Objektfelds genutzt werden, während der von der Umlenkfläche zum Strahlteiler reflektierte Anteil eine Fluoreszenzanregungsstrahlung sein kann. Hierdurch werden zusätzliche Beobachtungsmöglichkeiten geschaffen, wobei die strahlteilenden Eigenschaften der Umlenkfläche sowie gegebenenfalls des Strahlteilers derart gewählt sein können, dass sowohl eine Beobachtung der Fluoreszenzstrahlung als auch eine Weißlichtbeobachtung möglich sind. Hierfür kann der Bildaufnehmer zur Unterscheidung unterschiedlicher Wellenlängenbereiche ausgebildet sein, beispielsweise als Farbsensor.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer strahlteilenden Ausführung der Umlenkfläche des Lichtleiters kann ein weiterer Lichtleiter vorhanden sein, der zur Weiterleitung eines weiteren Teils der Beleuchtungsstrahlung vom proximalen Bereich des Schafts zum distalen Endbereich des Schafts des Endoskops ausgebildet ist und beispielsweise eine zusätzliche Weißlichtbeleuchtung ermöglicht. Auch hierdurch können in vorteilhafter Weise weitere Beobachtungsmöglichkeiten geschaffen werden.
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Vorzugsweise ist zwischen dem Austrittsbereich des Lichtleiters und dem Strahlteiler ein optisches Kopplungselement zur Verbesserung der Einkopplung des aus dem Austrittsbereich zum Strahlteiler austretenden Teils der Beleuchtungsstrahlung in den Strahlteiler und damit in den Strahlengang des Objektivs angeordnet. Das optische Kopplungselement besteht insbesondere aus einem transparenten Material, das eine an den Brechungsindex des Austrittsbereichs des Lichtleiters und/oder des Strahlteilers angepassten Brechungsindex aufweist. Das Kopplungselement kann dicht an dem Austrittsbereich des Lichtleiters und an dem Strahlteiler anliegen und/oder mit dem Austrittsbereich des Lichtleiters bzw. dem Strahlteiler verkittet sein. Das optische Kopplungselement kann beispielsweise eine planparallele Platte umfassen oder aus einer transparenten Vergussmasse bestehen. Vorzugsweise weist das optische Kopplungselement eine am Strahlteiler anliegende plane Fläche und eine am Austrittsbereich des Lichtleiters, insbesondere am distalen Endbereich einer Lichtleitfaser des Lichtleiters, anliegende negativ zylindrische Fläche auf. Hierdurch können Lichtverluste und unerwünschte Brechungseffekte beim Austritt der Beleuchtungsstrahlung aus dem Lichtleiter sowie bei der Einkopplung des aus dem Austrittsbereich austretenden Teils der Beleuchtungsstrahlung in den Strahlteiler vermieden oder zumindest verringert werden.
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In vorteilhafter Weise kann der Strahlteiler als Prismenstrahlteiler, insbesondere als Strahlteilerwürfel, oder auch als Strahlteilerplatte ausgebildet sein. Hierdurch wird eine kompakte und robuste Bauweise sowie eine einfache Herstellung ermöglicht. Dabei ist die Herstellung eines Endoskops mit einer Strahlteilerplatte in besonders kostengünstiger Weise möglich, insbesondere wenn die Teilerfläche in einem Winkel von etwa 45° zur optischen Achse bzw. zur Längsachse des Schafts steht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Strahlteiler derart als polarisierender Strahlteiler ausgebildet, dass ein Lichtanteil mit einer ersten Polarisation an der Teilerfläche zumindest überwiegend reflektiert und ein Lichtanteil mit einer zur ersten Polarisation komplementären Polarisation von der Teilerfläche zumindest überwiegend durchgelassen wird. Insbesondere können die erste Polarisation und die hierzu komplementäre Polarisation aufeinander senkrecht stehende lineare Polarisationen sein. Hierdurch wird es ermöglicht, unterschiedlich polarisierte Anteile des vom Objektfeld aufgenommenen Lichts voneinander zu trennen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn bei einer Fluoreszenzbeobachtung polarisierte Anregungsstrahlung auf das zu untersuchende Gewebe eingestrahlt und zumindest teilweise unpolarisierte Fluoreszenzstrahlung beobachtet wird. Die Polarisation der Anregungsstrahlung kann dann derart gewählt werden, dass die Anregungsstrahlung vom Strahlteiler zumindest überwiegend in Richtung auf das Objektfeld reflektiert wird, jedoch zumindest ein Teil der Fluoreszenzstrahlung vom Strahlteiler in Richtung zum Bildaufnehmer durchgelassen wird. Hierdurch kann ein großer Teil der vom Objektfeld in das Objektiv gelangenden reflektierten oder gestreuten Anregungsstrahlung eliminiert werden und ebenso ein großer Teil von innerhalb des Objektivs entstehender reflektierter oder gestreuter Anregungsstrahlung. Auf diese Weise kann eine weitgehend ungestörte Beobachtung der Fluoreszenzstrahlung ermöglicht und die Qualität des aufgenommenen Fluoreszenzbilds verbessert werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Strahlteiler dichroitisch strahlteilend und insbesondere zum Weiterleiten zumindest eines Teils der Beleuchtungsstrahlung in einem kürzerwelligen Wellenlängenbereich zum Objektfeld und zum Weiterleiten zumindest eines Teils der vom Objektfeld aufgenommenen Strahlung in einem längerwelligen Wellenlängenbereich zum Bildaufnehmer ausgebildet. Dies ist insbesondere in dem Fall vorteilhaft, dass das Endoskop ein Fluoreszenzendoskop ist und der Lichtleiter, der Austrittsabschnitt des Lichtleiters und der Strahlteiler zum Weiterleiten einer Fluoreszenzanregungsstrahlung zum Objektfeld und das Objektiv und der Bildaufnehmer zum Aufnehmen einer vom im Objektfeld befindlichem Gewebe erzeugten Fluoreszenzstrahlung ausgebildet sind. Dabei ist der kürzerwellige Wellenlängenbereich der Wellenlängenbereich einer zur Anregung der Fluoreszenz geeigneten Strahlung und der längerwellige Wellenlängenbereich der der vom Gewebe erzeugten Fluoreszenzstrahlung. Der Strahlteiler kann hierfür eine Teilerfläche mit einer dichroitischen Beschichtung aufweisen, wobei die dichroitische Beschichtung an mindestens einen zu beobachtenden Fluoreszenzmodus bzw. einen Fluoreszenzstoff angepasst sein kann. Auf diese Weise wird es ermöglicht, die im Objektfeld reflektierte Anregungsstrahlung, die typischerweise um Größenordnungen heller ist als die schwache Fluoreszenzstrahlung und diese ohne weitere Maßnahmen überstrahlen würde, weitestgehend zu eliminieren und eine ungestörte Beobachtung der Fluoreszenz des Gewebes zu gestatten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Strahlteiler in entsprechender Weise sowohl dichroitisch als auch polarisierend ausgebildet sein, wodurch eine nochmalige Verbesserung der Qualität des aufgenommenen Fluoreszenzbilds ermöglicht wird.
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In weiter bevorzugter Weise kann das Objektiv ein Filter zum Abblocken von Fluoreszenzanregungsstrahlung und zum Durchlassen der Fluoreszenzstrahlung aufweisen, das zwischen dem Strahlteiler und der Sensorfläche des Bildaufnehmers angeordnet ist. Das Filter kann beispielsweise als Kantenfilter ausgebildet sein. Das Filter kann in einem Bereich des Objektivs mit einem parallelen Strahlengang angeordnet sein, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn das Filter ein Interferenzfilter ist. Es ist aber auch möglich, das Filter in einem anderen Teil des Strahlengangs des Objektivs zwischen der Teilerfläche des Strahlteilers und der Sensorfläche des Bildaufnehmers, insbesondere im konvergenten Teil des Strahlengangs, anzuordnen. Hierdurch wird eine weitere Verbesserung der Trennung von Anregungs- und Fluoreszenzstrahlung und eine weitere Verbesserung der Qualität des aufgenommenen Fluoreszenzbilds ermöglicht.
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In besonders bevorzugter Weise umfasst das Objektiv eine oder mehrere Gradientenindex-(GRIN-) Linsen. Hierdurch werden eine besonders kompakte Ausführung des Objektivs mit einer hohen Auflösung sowie eine besonders einfache Montage des Objektivs ermöglicht. Insbesondere kann das Objektiv eine erste und eine zweite GRIN-Linse umfassen, wobei zwischen der ersten und der zweiten GRIN-Linse in einem im Wesentlichen parallelen Teil des Strahlengangs des Objektivs der Strahlteiler angeordnet ist. Das Objektiv kann beispielsweise mit genau zwei derartigen GRIN-Linsen und einer distalseitig davor angeordneten plankonvexen Linse ausgebildet sein. Eine solche Ausgestaltung des Objektivs ist beispielsweise in
DE 10 2006 046 555 B4 offenbart, welches Dokument hiermit diesbezüglich durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
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Vorzugsweise ist das Objektiv derart ausgebildet, dass eine Vergrößerung in einem Bereich von etwa 0,5 bis 5 liegt. Die Vergrößerung ist dabei das Verhältnis der Bildgröße, d.h. der Größe des auf der Sensorfläche des Bildaufnehmers entworfenen Bilds, zu der Größe des abgebildeten Objekts. Ein derartiger Vergrößerungsbereich ist insbesondere vorteilhaft für die kontaktendoskopische Untersuchung von Gewebe.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der beigefügten Zeichnung. Es zeigen:
- 1 ein endoskopisches System mit einem Endoskop gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Gesamtdarstellung;
- 2 ein Objektiv mit einem Beleuchtungssystem eines Endoskops gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung;
- 3 ein Objektiv mit einem Beleuchtungssystem eines Endoskops gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung;
- 4 den distalen Endbereich des Lichtleiters bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3;
- 5a bis 5d den distalen Endbereich des Endoskops gemäß 3;
- 6 den distalen Endbereich eines Endoskops gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Form.
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In 1 ist in schematischer Form ein endoskopisches System dargestellt, das ein gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgeführtes Endoskop 1 umfasst. Das Endoskop 1 weist einen langerstreckten Schaft 2 auf, der im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem starren Schaftrohr 3 ausgebildet ist; alternativ könnte ein erfindungsgemäßes Endoskop einen halbstarren oder flexiblen Schaft aufweisen. Der distale Endbereich des Schafts 2 ist in 1 mit den Bezugszeichen 4 bezeichnet. Das Endoskop 1 umfasst ferner ein am proximalen Ende des Schafts 2 angeordnetes Handstück 5, das bei einem endoskopischen Eingriff außerhalb des Körpers verbleibt. Innerhalb des Schafts 2 ist ein nicht dargestellter elektronischer Bildaufnehmer angeordnet. Das Handstück 5 ist über ein elektrisches Kabel 6 mit einer Versorgungseinheit 7 verbunden, die zum Ansteuern elektronischer Bauelemente im Inneren des Endoskops 1 und zum Verarbeiten und Speichern des von dem Endoskop 1 aufgenommenen endoskopischen Bilds dient. An die Versorgungseinrichtung 7 ist ein Monitor 8 zur Anzeige des endoskopischen Bilds für einen Benutzer angeschlossen. Weiterhin ist das Handstück 5 über ein Lichtleitkabel 9 mit einer Lichtquelleneinheit 10 verbunden. Die Lichtquelleneinheit 10 umfasst beispielsweise eine Xenonlampe zur Erzeugung der Beleuchtungsstrahlung, die sowohl zur Weißlichtbeleuchtung als auch für eine Fluoreszenzanregung dienen kann; es kann auch beispielsweise eine Laserlichtquelle zur Erzeugung der Fluoreszenzanregungsstrahlung und/oder eine Superlumineszenzdiode vorgesehen sein. Das elektrische Kabel 6 und das Lichtleitkabel 9 können durch in 1 nicht dargestellte Anschlussmittel lösbar mit dem Handstück 5 verbunden sein. Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen des Endoskops 1 ist dieses als Kontaktendoskop ausgebildet.
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In 2 ist in Form eines schematischen Längsschnitts der innere Aufbau des distalen Endbereichs 4 des Schafts 2 des in 1 gezeigten Endoskops 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei das Schaftrohr 3 und eine das Objektiv umgebende Objektivhülse in 2 nicht gezeigt sind. Vom Handstück 5 zum distalen Endbereich 4 des Endoskops 1 verlaufen innerhalb des Schafts 2 eine Beleuchtungsfaser 11 zur Weiterleitung von Weißlicht und Fluoreszenzanregungsstrahlung sowie in der dargestellten Variante der ersten Ausführungsform eine weitere Beleuchtungsfaser 12 zur Weiterleitung eines weiteren Anteils des Beleuchtungslichts zum distalen Ende des Endoskops 1. Im proximalen Bereich des Endoskops 1, etwa im Handstück 5, sind die Lichtleiter 11, 12 mit der Lichtquelleneinheit 10 oder gegebenenfalls mit mehreren Lichtquelleneinheiten verbunden. Das Objektiv 13 des Endoskops umfasst eine Gradientenindexlinse (GRIN-Linse) 14, einen dichroitischen Strahlteilerwürfel 15 und ein Fluoreszenzbeobachtungsfilter 16. Am proximalen Ende des Objektivs 13 ist ein elektronischer Bildaufnehmer 17 derart angeordnet, dass die Sensorfläche 18 des Bildaufnehmers 17, die an der distalen Fläche des Deckglases 19 anliegt, in der Bildebene des Objektivs 13 steht. Wie in 2 schematisch dargestellt ist, ist die distale Endfläche der Lichtleitfaser 11 mit einer um etwa 45° zur Längsachse der Lichtleitfaser 11 schräg stehenden, teilreflektierenden Umlenkfläche 20 versehen, die einen Teil des von der Lichtleitfaser 11 übertragenen Beleuchtungslichts um etwa 90° aus einer axialen Richtung in eine Querrichtung in Richtung auf den dichroitischen Strahlteilerwürfel 15 umlenkt. Der Strahlteilerwürfel 15 weist eine ebenfalls um etwa 45° zur Längsrichtung des Endoskops schräg stehende Teilerfläche 21 auf, die das von der Umlenkfläche 20 reflektierte Beleuchtungslicht wieder in eine axiale Richtung und somit im Wesentlichen koaxial zur Längsachse des Endoskops bzw. zur optischen Achse des Objektivs 13 umlenkt. Am distalen Ende des Endoskops 13 tritt das von der Teilerfläche 21 umgelenkte Beleuchtungslicht zur Beleuchtung eines Objektfelds aus dem Objektiv aus. Der Beleuchtungsstrahlengang ist in 2 symbolisch angedeutet. Vom Objektfeld 22 in das Objektiv 13 eintretendes Licht wird von der GRIN-Linse 14 gebündelt und auf die Sensorfläche 18 des Bildaufnehmers 17 fokussiert. Der Beobachtungsstrahlengang vom Objektfeld 22 zur Sensorfläche 18 ist in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Das Objektiv 13 ist für eine Vergrößerung im Bereich von 0,5 bis 5, beispielsweise etwa 1 oder etwa 2, ausgelegt.
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Für eine Fluoreszenzbeobachtung ist die Umlenkfläche 20 der Lichtleitfaser 11 derart dichroitisch beschichtet, dass die kurzwellige Fluoreszenzanregungsstrahlung weitgehend in Richtung auf den Strahlteilerwürfel 15 reflektiert wird. Die Teilerfläche 21 weist eine dichroitische Beschichtung auf, die die kurzwellige Fluoreszenzanregungsstrahlung ebenfalls reflektiert und diese somit zum Objektfeld 22 leitet. Die von einem im Objektfeld 22 befindlichen Objekt, beispielsweise menschlichem oder tierischem Gewebe, erzeugte Fluoreszenzstrahlung wird von der dichroitischen Beschichtung der Teilerfläche 21 hindurch gelassen und gelangt dadurch zum Bildaufnehmer 17, wo auf der Sensorfläche 18 ein Fluoreszenzbild des Objektfelds 22 entsteht. Der Bildaufnehmer 17 nimmt hier, wie auch bei den unten beschriebenen weiteren Ausführungsbeispielen, das Fluoreszenzbild auf und leitet es in Form elektrischer Signale über das Versorgungs- und Signalkabel 23, das innerhalb des Schafts 2 zum Handstück 5 des Endoskops 1 geführt ist, sowie über das elektrische Kabel 6 zur Versorgungseinrichtung 7 (s. 1).
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Die dichroitische Beschichtung der Umlenkfläche 20 lässt einen Teil des von der Lichtleitfaser 11 übertragenen Beleuchtungslichts hindurchtreten, wodurch dieser Teil der Beleuchtungsstrahlung in eine weitere Lichtleitfaser 24 gelangt. Durch diese wird der durchgelassene Teil der Beleuchtungsstrahlung bis zum distalen Ende 25 des Endoskops geleitet und tritt dort in Form eines Beleuchtungslichtkegels 26 zur Beleuchtung des Objektfelds 22 aus. Im gezeigten Beispiel ist das durch die Umlenkfläche 20 hindurchtretende Licht für eine Weißlichtbeleuchtung geeignet. Bei der in 2 dargestellten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung kann durch die weitere Lichtleitfaser 12 ein weiterer Anteil des Beleuchtungslichts, beispielsweise ebenfalls Weißlicht oder für eine alternative Reflektanzbildgebung geeignete Strahlung, bis zum distalen Ende 25 des Endoskops geführt werden und dort zur Beleuchtung des Objektfelds 22 austreten. In einer anderen, nicht dargestellten Variante dieses Ausführungsbeispiels ist die weitere Lichtleitfaser 12 nicht vorhanden.
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Wie die Fluoreszenzstrahlung würde ohne weitere Maßnahmen auch die vom Objekt, d.h. dem zu untersuchenden Gewebebereich, reflektierte bzw. gestreute Fluoreszenzanregungsstrahlung von der GRIN-Linse 14 auf die Sensorfläche 18 des Bildaufnehmers 17 abgebildet. Da die Fluoreszenzanregungsstrahlung eine wesentlich höhere Intensität aufweist als die Fluoreszenzstrahlung des Objekts, ist es zur Beobachtung der Fluoreszenzstrahlung notwendig, die Fluoreszenzanregungsstrahlung weitgehend zu eliminieren. Dies geschieht durch die Teilerfläche 21 des dichroitischen Strahlteilerwürfels 15, die für den Wellenlängenbereich der Fluoreszenzanregungsstrahlung reflektierend wirkt und diese somit aus dem Strahlengang des Objektivs 13 eliminiert. Um Streulicht zu vermeiden, kann das Objektiv 13 eine in 2 nicht dargestellte Hülse mit einer lichtabsorbierenden Innenseite aufweisen. Zur Absorption gegebenenfalls durch die Teilerfläche 21 hindurchtretender restlicher Anteile der Fluoreszenzanregungsstrahlung ist auf der proximalen Seite des Strahlteilerwürfels 15 ein Fluoreszenzbeobachtungsfilter 16 angeordnet, das beispielsweise ein Kantenfilter sein kann, das im Wellenlängenbereich der Fluoreszenzanregungsstrahlung absorbierend und im Wellenlängenbereich der Fluoreszenzstrahlung transmittierend ist. Vom Objekt werden ferner die von der Lichtleitfaser 24 und ggf. von der weiteren Lichtleitfaser 12 übertragenen weiteren Anteile der Beleuchtungsstrahlung in das Objektiv reflektiert bzw. gestreut und von der GRIN-Linse 14 auf die Sensorfläche 18 des Bildaufnehmers 17 abgebildet. Der Bildaufnehmer 17 kann hierbei beispielsweise als Farbsensor ausgebildet sein und die Aufnahme von Bildern in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erlauben.
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In 3 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung ebenfalls als schematischer Längsschnitt durch den distalen Endbereich des Schafts dargestellt, wobei das Schaftrohr und die Objektivhülse nicht gezeigt sind. Das in 3 dargestellte Objektiv 27 umfasst, von distal nach proximal, ein gegebenenfalls mehrschichtiges distales Fenster 28, eine Plankonvexlinse 29, eine erste GRIN-Linse 30, einen Strahlteilerwürfel 31, eine zweite GRIN-Linse 32 und ein an die proximale Endfläche der zweiten GRIN-Linse 32 angesetztes Fluoreszenzbeobachtungsfilter 16. Ein in 3 nicht dargestellter elektronischer Bildaufnehmer ist derart angeordnet, dass die von einer distalen Seite des Fensters 28 ausgehenden Strahlen auf der Sensorfläche 18 des Bildaufnehmers, von dem in 3 nur das Deckglas 19 gezeigt ist, fokussiert werden. Auch das in 3 gezeigte Objektiv 27 ist insbesondere für den Einsatz in einem Kontaktendoskop vorgesehen, mit dem in Kontakt zum Fenster 28 befindliches Gewebe untersucht werden kann.
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Zur Beleuchtung des Gewebes wird Beleuchtungslicht über eine Lichtleitfaser 33 vom proximalen Bereich des Endoskops in den Bereich des Objektivs 27 geführt. Die distale Endfläche der Lichtleitfaser 33 ist in einem Winkel von 60° zur Längsachse der Lichtleitfaser plan angeschliffen und mit einer spiegelnden Beschichtung versehen. Hierdurch wird das zugeführte Beleuchtungslicht reflektiert und in einem Winkel von 60° zur Längsachse des Objektivs in den Strahlteilerwürfel 31 eingekoppelt, dessen Teilerfläche 35 parallel zur distalen Endfläche der Lichtleitfaser 33 steht und ebenfalls um einen Winkel α = 60° gegen die Längsachse des Schafts geneigt ist, die parallel zur optischen Achse des Objektivs 27 verläuft oder mit dieser zusammenfällt. Allgemein könnte die distale Endfläche der Lichtleitfaser 33 in einem Winkel von über 0° und unter 90° zur Längsachse der Lichtleitfaser 33 plan angeschliffen sein, vorzugsweise zwischen 40° und 70°, weiter bevorzugt zwischen 45° und 60°, insbesondere etwa 45° oder 60°. Die Flächennormalen der distalen Endfläche der Lichtleitfaser 33 und der Teilerfläche 35 schließen bei der in 3 gezeigten Ausführungsform jeweils einen Winkel von etwa 30° gegen die Längsachse des Schafts ein. Die auf die Teilerfläche 35 auftreffende Beleuchtungsstrahlung wird somit in distaler axialer Richtung reflektiert und von der ersten GRIN-Linse 30 und der Plankonvexlinse 29 auf einen kleinen Bereich, beispielsweise mit einem Durchmesser von ca. 250 µm, des an der distalen Seite des Fensters 28 angeordneten Objektfelds konzentriert. In 3 sind zur Illustration ein axialer Beleuchtungsstrahl 36 und zwei Randstrahlen 37 sowie zwei dazwischen liegende Strahlen 38 des Beleuchtungsstrahlenbündels dargestellt. Wie hierin zu erkennen ist, erfolgt die Beleuchtung des Objektfelds aus der gleichen Richtung und im Wesentlichen koaxial zum Beobachtungsstrahlengang.
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Der Strahlengang des vom Objektfeld in das Objektiv 27 eintretenden Lichts, d.h. der Beobachtungsstrahlengang, ist in 3 durch einen axialen Strahl 39, zwei Randstrahlen 40 sowie zwei dazwischen liegende Strahlen 41 dargestellt. Der Aufbau des Objektivs 27 mit der Plankonvexlinse 29 und den GRIN-Linsen 30, 32 erlaubt eine hohe numerische Apertur und somit eine hohe Auflösung von beispielsweise 1 bis 5 µm. Um bei Fluoreszenzbeobachtungen das reflektierte bzw. rückgestreute Anregungslicht zu eliminieren, ist proximalseitig des Objektivs 27 ein Fluoreszenzbeobachtungsfilter 16 vorgesehen. Wie zu 2 beschrieben, kann die Teilerfläche 35 zusätzlich eine strahlteilende dichroitische Beschichtung aufweisen, die für die Fluoreszenzanregungsstrahlung reflektierend und für die Fluoreszenzstrahlung transmittierend wirkt. Auch hinsichtlich der Weißlichtbeleuchtung kann das zweite Ausführungsbeispiel wie das erste ausgeführt sein.
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Wie in 3 angedeutet, ist zwischen dem distalen Endbereich der Lichtleitfaser 33 und dem Strahlteilerwürfel 31 ein Kopplungselement in Form einer mit dem Strahlteilerwürfel 31 und dem distalen Endbereich der Lichtleitfaser 43 verkitteten Platte 47 angeordnet. Die Platte 47 ist auf der am Strahlteilerwürfel 31 anliegenden Seite plan und auf der an der Lichtleitfaser 43 anliegenden Seite hohlzylindrisch, d.h. als negative Zylinderlinse geformt. Hierdurch werden Reflektionsverluste und eine Brechung beim Lichtweg von der Lichtleitfaser 33 in den Strahlteilerwürfel 31 vermieden oder verringert, insbesondere eine Zylinderlinsenwirkung des Endbereichs der Lichtleitfaser 33.
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Der distale Endbereich der Lichtleitfaser 33 ist in 4 vergrößert dargestellt. Wie in 4 gezeigt ist, bildet die Umlenkfläche 34 einen Winkel β = 120° mit der Längsachse 42 der Lichtleitfaser 33. Die Umlenkfläche 34 ist spiegelbeschichtet, so dass das in axialer Richtung auf die Umlenkfläche 34 auftreffende Beleuchtungslicht in einer schräg nach proximal gerichteten Richtung reflektiert wird, wie in 4 durch die Pfeile 43 angedeutet ist. Die Lichtleitfaser 33 umfasst einen lichtleitenden Kern 44, der beispielsweise einen Durchmesser d von etwa 105 µm hat, und einen diesen umgebenden Mantel (Cladding) 45, der beispielsweise einen Durchmesser d' von etwa 125 µm hat. An der Grenzfläche zwischen dem Kern 44 und dem Mantel 45 tritt bei kleinen Winkeln zur Längsachse 42 Totalreflektion auf. Das in eine schräge Richtung von der Umlenkfläche 34 reflektierte Beleuchtungslicht (Pfeile 43) durchdringt den Mantel 45 ohne weiteres, da bei einem Winkel von etwa 60° zur Längsachse 42 keine Totalreflektion mehr auftritt. Die äußere Umhüllung 46 der Lichtleitfaser 33 ist im distalen Endbereich über eine Strecke von beispielsweise 5 mm entfernt.
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Die Anordnung der in den 3 und 4 schematisch gezeigten Bauteile ist in 5a bis 5d nochmals im Einzelnen dargestellt. Zur Verdeutlichung des Strahlengangs sind zwei Randstrahlen 37 des Beleuchtungsstrahlenbündels und zwei Randstrahlen 40 des Beobachtungsstrahlengangs sowie jeweils ein oder mehrere weitere Strahlen gezeigt. Das Fenster 28, die Plankonvexlinse 29 und die erste GRIN-Linse 30 sind in eine erste Hülse 48 eingesetzt, die gemeinsam mit einer zweiten Hülse 49, in der der Strahlteilerwürfel 31, die zweite GRIN-Linse 32, das Fluoreszenzbeobachtungsfilter 16 und der distale Endbereich des Lichtleiters 33 aufgenommen sind, eine Objektivhülse 50 bildet. Die Objektivhülse 50 ist in das Schaftrohr 3 des Endoskops eingesetzt und ragt distalseitig aus diesem hinaus. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Außendurchmesser D der Objektivhülse 50 bzw. der ersten Hülse 49 etwa 1,4 mm und der Außendurchmesser D' des Schaftrohrs 3 etwa 1,6 mm.
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In 6 ist der distalen Endbereich des Schafts eines Endoskops gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Form im Längsschnitt gezeigt. Das im Schaftrohr 3 des Endoskops aufgenommene Objektiv 51 umfasst bei dieser Ausführungsform eine GRIN-Linse 52, die mit ihrer distalen Seite die Kontaktfläche 53 für zu untersuchendes Gewebe bildet. Die GRIN-Linse 52 bildet zusammen mit einer weiteren Linse 54 das Objektfeld, das durch die Kontaktfläche 53 gebildet wird, über eine teilreflektierend beschichtete Teilerfläche 55 eines Mikroprismas 56 auf die Sensorfläche eines im Schaftrohr 3 „liegend“ angeordneten elektronischen Bildaufnehmers 57 ab. Eine Beleuchtungsfaser 58 führt Beleuchtungsstrahlung vom proximalen Bereich des Endoskops zu, die durch die plan angeschliffene distale Endfläche 59 der Beleuchtungsfaser 58 in axialer distaler Richtung austritt. Die Beleuchtungsstrahlung tritt zumindest zum Teil durch die Teilerfläche 55 hindurch und wird durch die Linse 54 und die GRIN-Linse 52 zur Kontaktfläche 53 weitergeleitet. Für Fluoreszenzuntersuchungen kann die Teilerfläche 55 derart dichroitisch beschichtet sein, dass diese die von der Beleuchtungsfaser 58 übertragene Fluoreszenzanregungsstrahlung transmittiert und die vom Gewebe erzeugte Fluoreszenzstrahlung reflektiert. Das dritte Ausführungsbeispiel kann hinsichtlich einer Weißlichtbeleuchtung ebenfalls wie das erste ausgeführt sein. Die optischen Elemente des Objektivs sowie der Bildaufnehmer können in einer Objektivhülse aufgenommen sein (nicht gezeigt).
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Der Übersichtlichkeit halber sind nicht in allen Figuren alle Bezugszeichen dargestellt. Zu einer Figur nicht erläuterte Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in den übrigen Figuren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Endoskop
- 2
- Schaft
- 3
- Schaftrohr
- 4
- Distaler Endbereich
- 5
- Handstück
- 6
- Kabel
- 7
- Versorgungseinrichtung
- 8
- Monitor
- 9
- Lichtleitkabel
- 10
- Lichtquelleneinheit
- 11
- Lichtleitfaser
- 12
- Lichtleitfaser
- 13
- Objektiv
- 14
- GRIN-Linse
- 15
- Strahlteilerwürfel
- 16
- Fluoreszenzbeobachtungsfilter
- 17
- Bildaufnehmer
- 18
- Sensorfläche
- 19
- Deckglas
- 20
- Umlenkfläche
- 21
- Teilerfläche
- 22
- Objektfeld
- 23
- Versorgungs-und Signalleitung
- 24
- Lichtleitfaser
- 25
- Distales Ende
- 26
- Beleuchtungslichtkegel
- 27
- Objektiv
- 28
- Fenster
- 29
- Linse
- 30
- GRIN-Linse
- 31
- Strahlteilerwürfel
- 32
- GRIN-Linse
- 33
- Lichtleitfaser
- 34
- Umlenkfläche
- 35
- Teilerfläche
- 36
- Axialer Strahl
- 37
- Randstrahl
- 38
- Strahl
- 39
- Axialer Strahl
- 40
- Randstrahl
- 41
- Strahl
- 42
- Längsachse
- 43
- Pfeil
- 44
- Kern
- 45
- Mantel
- 46
- Umhüllung
- 47
- Platte
- 48
- Hülse
- 49
- Hülse
- 50
- Objektivhülse
- 51
- Objektiv
- 52
- GRIN-Linse
- 53
- Kontaktfläche
- 54
- Linse
- 55
- Teilerfläche
- 56
- Mikroprisma
- 57
- Bildaufnehmer
- 58
- Beleuchtungsfaser
- 59
- Endfläche
