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Verrahren und Vorrichtung zur automatischen Steuerung der Belichtung
eines Endoskops Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung iur automatischen
Steuerung der Belichtung eines Endoskops, bei dem das vom Objekt kommende Licht
mittels eines Strahlenteilers
teilweise einem Fotoelement und teilweise
einer Beobachtungs- bzw. Registriervorrichtung zugeführt wird.
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Die Erfindung betrifft insbesondere eine automatische Belichtungssteuerungsvorrichtung
f-r ein Endoskop, bei dem das von einem Objekt kommende Licht, das für die Belichtung
des Films verwendet werden soll, so aufgeteilt wird, daß der eine Teil des Lichts
einem fotoelektrischen Element zugeführt wird und dort ein Signal erzeugt, das der
Intensität des'vom Objekt kommenden Lichts entspricht und das die Belichtungszeit
des Films ergibt.
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Die Erfindung ist eine Verbesserung der in der deutschen Patentanmeldung
P 17 66 327.3-55 offenbarten automatischen Belichtungssteuerungsvorrichtung. . In
dieser Patentanmeldung ist ein Endoskop mit einer Vorrichtung zur automatischen
Steuerung der Belichtung dargestellt und beschrieben, das ein langgestrecktes optisches
Lichtleitersystem aufweist, welches sich durch die Röhre, welche den vorderen Endteil
des Endoskops mit dem Steuergehäuse verbindet, hindurch erstreckt.
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Das hintere Ende des optischen Lichtleitersystems ist so ausgebildet,
daß es Licht einer äußeren Lichtquelle erhält, wenn eine aazwischen befindliche
Lichtunterbrecherblende aus dem
optischen Weg der Lichtquelle herausbewegt
wird und das Licht durch das optische Lichtleitersystem zum vorderen Ende desselben
Ubertragen und dort zur Beleuchtung eines Objekts ausgestrahlt wird. Das vom Objekt
reflektierte Licht wird durch eine Objektivlinse aufgenommen, die im vorderen Endteil
des Endoskops untergebracht ist und ein Bild des Objekts wird auf das vordere Ende
eines optischen Bildübertragungssystems fokussiert, das sich ebenfalls durch die
Röhre erstreckt.
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Hierdurch wird das Bild zum hinteren Ende des optischen Bild-Ubertragungssystems
Ubertragen. Das so auf das hintere Ende des Bildübertragungssystems Ubertragene
Bild wird normalerweise durch eine andere Objektivlinse, die hinter dem hinteren
Ende des optischen BildUbertragungssystems angeordnet ist und durch ein im Endoskop
vorgesehenes Okular betrachtet, wenn ein im Lichtweg der zweiten Objektivlinse angeordneter
Reflektionsspiegel in seiner Beobachtungsstellung ist. Das dem optischen Lichtleitersystem
zugeführte Licht wird dabei durch Xnderung der Intensität der Lichtquelle oder durch
Einbringen eines lichtunterbrechenden Blende mit schmalen Öffnungen für Beobachtungszwecke
geschwächt. Wenn jedoch ein Auslöser, der mit der Belichtungssteuerungsvorrichtung
gekoppelt ist, betätig wird, wird der Reflektionsspiegel in seine Filmbelichtungsstellung
geschwenkt und das Licht der Lichtquelle wird
für die Filmbelichtungszwecke
geändert oder die lichtunterbrechende Blende wird aus dem Lichtweg der Lichtquelle
geschwenkt, so daß Licht höherer Intensität vom Objekt auf den in dem Endoskop befindlichen
Film fällt und die Belichtung des Films beginnt. Um nach der genaurichtigen Belichtung
des Films die Belichtung zu beenden, ist ein fotoelektrisches Element nahe der Objektivlinse
im vorderen Endteil des Endoskops vorgesehen oder es ist einem Strahlenteiler zugeordnet,
der- sich hinter dem hinteren Ende des bildübertragenden optischen Systems befindet.
Durch das vom Objekt erhaltene Licht erzeugt das fotoelektrische Element ein Signal,
das der Intensität des vom Objekt kommenden Lichts entspricht. Das so erhaltene
Signal wird einem Einstellkreis in der Belichtungssteuerungsvorrichtung zugeführt,
der eine Zeitkonstante für die genaue Belichtung des Films erzeugt. Das vom Einstellkreis
kommende Signal wird einem mit diesem verbundenen Schaltkreis zugefUhrt, der bewirkt,
daß die lichtunterbrechende Scheibe in ihre lichtunterbrechende Stellung gebracht
wird, um die Belichtung des Films zu beenden und eine genaue Belichtung desselben
zu erreichen. Die Intensität des Lichts für Beobachtungszwecke wird dadurch verringert,
daß das Licht von der Licht quelle durch-die lichtunterbrechende Blende mit den
kleinen Öffnungen geschwächt wird oder durch änderung der Intensität der Lichtquelle,
während der Reflektionsspiegel durch
Betätigung des Auslösers in
seine Beobachtungsstellung geschwenkt ist, so daß die Beobachtung des Objekts möglich
ist.
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Eine konventionelle Einlinsen-Reflexkamera kann zum Beobachten und
Fotografieren des Objekts mit dem vorbeschriebenen Endoskop zusammengebaut werden.
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Wenn in einem Endoskop der vorbeschriebenen Art das fotoelektrische
Element im vorderen Endteil des Endoskops angeordnet ist, erhält es Licht direkt
vom Objekt. Dann kann dem fotoelektrischen Element eine genügend große Lichtmenge
zugeführt werden, wodurch das S/N-Verhältnis verbessert und die Verstärkung rur
die Betätigung der Belichtungssteuerungsvorrichtung verringert werden kann. Hierdurch
wird der Drift der Halbleiter, die in diesem enthalten sind, verringert.
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Andererseits muß der Durchmesser des vorderen Endteils des Endoskops
notwendigerweise vergrößert werden, wenn ein fotoelektrisches Element darin untergebracht
werden soll. Dies macht es schwierig, ein derartiges Endoskop fUr die Beobachtung
von sehr kleinen Teilen, beispielsweise den Bronchien im menschlichen Körper, zu
verwenden.
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Wenn hingegen ein fotografisches Element einem Strahlenteiler zugeordnet
wird, der hinter dem hinteren Ende des optischen
Bildübertragungssystems
angeordnet ist, um einen Teil des vom -Objekt kommenden und der Belichtung des Films
oder der Beobachtung des Objekts dienenden Lichts aufzufangen, kann der Durchmesser
des vorderen Endteils des Endoskops kleiner gemacht werden, wodurch das Endoskop
zur Beobachtung sehr kleiner Teile, beispielsweise der Bronchien im menschlichen
Körper, geeignet ist. Jedoch wird in einem solchen Endoskop lediglich ein Teil des
vom Objekt kommenden und der Pelichtung des Films oder der Beobachtung dienenden
Lichts fUr die Betätigung des fotoelektrischen Elements verwendet. Daher ist die
Intensität des vom Fotoelement erhaltenen Lichts sehr schwach, so daß die Verstärkung
des Verstärkers in der Belichtungssteuerungsvorrichtung sehr groß sein muß. Hierdurch
wird das S/N-Verhältnis verschlechtert und als Folge des Anwachsens der Drift der
Halbleiter, die in dieser Vorrichtung vorhanden sind, auch die Genauigkeit der Belichtungssteuerungsvorrichtung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile
zu überwinden und insbesondere eine Belichtungs--steuerungsvorrichtung für ein Endoskop
zu schaffen, bei dem das fotoelektrische Element einem Strahlenteiler zugeordnet
ist, der hinter dem hinteren Ende des optischen Bildübertragungssystems
angeordnet
ist und einen Teil des vom ObJekt kommenden und der Belichtung des Films oder der
Beobachtung dienenden Lichts aufnimmt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Beobachtungs- bzw.
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Registriervorrichtung Licht zugeführt wird, dessen Energiemaximum
im Wellenlängenbereich der-größten Emprindlichkeit dieser Vorrichtung liegt und
daß die maximale Empfindlichkeit des Fotoelements im Wellenlängenbereich des diesem
zugeführten Lichts liegt.
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Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur automatischen
Steuerung der Belichtung eines Endoskops mit einem fotoelektrischen Element, das
einen Teil des von einem Objekt kommenden und der Belichtung dienenden Lichts aufzunehmen
und ein Signal zu erzeugen, das der Intensität des Lichts entspricht. Dieses Signal
wird dann der Belichtungssteuerungsvorrichtung zugeführt, so daß der Film richtig
belichtet wird.
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Dabei werden die spektroskopischen Eigenschaften des Lichts, das von
dem fotoelektrischen Element aufgenommen wird, so gewählt, daß das fotoelektrische
Element besonders wirkungsvoll anspricht und kein wesentlicher Verlust an Licht,
das für die Belichtung des Films vorgesehen ist, eintritt.
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Ein Ublicher Film ist empfindlich im sichtbaren Licht, während eine
Wolframlampe oder eine Xenonlampe ihre höchste Energieverteilung in Bereichen des
ultraroten Lichts hat.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die spektroskopische
Charakteristik des dem fotoelektrischen Element zugeführten Lichts so gewählt, daß
sie ihre höchste Energieverteilung im Wellenlängenbereich der Wellenlänge des Ultrarot
hat, während das rotoelektrische Element so ausgebildet wird, daß seine höchste
Empfindlichkeit ebenfalls im Wellenlängenbereich des ultraroten Lichts liegt. Hierdurch
spricht das Cotoelektrische Element besonders wirksam an, während kein wesentlicher
Verlust an Licht eintritt, der für' die Belichtung des Films wirksam ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen anhand des
in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden noch
näher erläutert werden.
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Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische. Ansicht der allgemeinen Konstruktion
eines Endoskops mit einer automatischen Belichtungssteuerungsvorrichtung nach der
vorliegenden Erfindung:
Fig. 2 ein Blockschaltbild der elektrischen
Schaltung der automatischen Belichtungssteuerungsvorrichtung nach der Erfindung:
Fig. 3 ein Diagramm der spektroskopischen Charakteristik einer Metallfadenlampe:
Fig. 4 die spektroskopischen Eigenschaften einer Xenonlampe; Fig. 5 ein Diagramm
der spektroskopischen Empfindlichkeit eines fotoelektrischen Siliziumelements: Fig.
6 ein Diagramm der spektroskopischen Eigenschaften eines halbdurchlässigen Überzugs,
der beim Strahlenteiler nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Das in Fig. 1 dargestellte Endoskop nach der vorliegenden Erfindung
umfaßt ein Reflexionsprisma 1 und eine Objektivlinse 2, die im vorderen Endteil
3 des Endoskops angeordnet sind.
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Das von einem seitlich des vorderen Endteils 3 des Endoskops angeordneten
Objekt kommende Licht wird vom Prisma 1 a.uf.genommen und von diesem auf eine Objektivlinse
2 geworfen. Von
dieser wird das Bild eines Objekts auf der vorderen
Endfläche 4a eines optischen Bildübertragungssystems 4 abgebildet, welches aus einem
optischen Glasfasersystem bestehen kann, das sich durch eine Röhre 5 erstreckt,
welche den vorderen Endteil 3 mit einem (nicht gezeichneten) Steuergehäuse des Endoskops
verbindet. Das auf die vordere Endfläche 4a entworfene Bild wird durch das optische
Bildübertragungssystem auf dessen hintere Endfläche 4h im Steuergehäuse übertragen.
Eine weitere Objektivlinse 6 ist hinter der hinteren Endfläche 4b und einem Strahlenteiler
7 angeordnet und bildet das Bild des Objekts von der hinteren Endfläche 4b auf eine
Mattglasscheibe 8 des Suchersystems ab, wenn ein Reflexionsspiegel 9 - wie dargestellt
- in seiner Beobachtungsstellung ist, so daß das Bild durch ein Pentaprisma 10 und
ein Okular 11 beobachtet werden kann. Wenn der Reflektionsspiegel 9 durch Betätigung
eines (nicht gezeichneten) AuSlösers, der mit der Belichtungssteuerungsvorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung gekoppelt ist, nach oben in seine Filmbelichtungsstellung
geschwenkt wird, wird das Bild des Objekts auf einen Film 12 projiziert, der sich
im Endoskop befindet.
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Bei der dargestellten Vorrichtung wird eine konventionelle Einlinsen-Reflexkamera
mit Auslöser, Spiegel 9 und Suchersystem
8, 10, 11 sowie ein in
ihr enthaltener Film 12 verwendet.Anstelle einer üblichen Einlinsen-Reflexkamera
kann das Steuergehäuse 12 für sich Auslöser, Spiegel 9 und Sucherkystem 8, 10, 11
und Film 12 umfassen.
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Zur Beleuchtung des Objekts ist ein optisches Lichtleitersystem 13,
beispielsweise ein Glasfasersystem, vorhanden, das sich durch die Röhre 5 erstreckt.
Seine vordere Endfläche 13a endet im vorderen Endteil 3, der zum Objekt gerichtet
ist. Die hintere Endfläche 13b des optischen Lichtleiteraystems 13 ist so ausgebildet,
daß sie Licht einer äußeren Lichtquelle 14 durch eine Kondenserlinse 15 aufnimmt.
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Das von der hinteren Endfläche 13b aufgenommene Licht wird durch das
optische Lichtleitersystems 13 zur vorderen Endfläche 13a desselben übertragen,
so daß das Licht dort ausgestrahlt wird und das Objekt beleuchtet.
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Um das von der Lichtquelle 14 ausgehende und von der hinteren Endfläche
13b des optischen Lichtleitersystems 13 aufgenommene Licht zu regulieren, ist eine
lichtunterbrechende Blende 16 beweglich zwischen der hinteren Endfläche 13b und
der Licht quelle 14 angeordnet. Die Blende 16 ist auf der Welle einer Drehspule
17 montiert, um sie durch Betätigung der Spule 17 mittels der nachstehend beschriebenen
Belichtungssteuerungsvorrichtung
in dem Strahlengang zwischen
der hinteren Endfläche 13b und der Lichtquelle 14 und aus diesem heraus, zu bewegen.
Die Blende 16 ist mit mindestens einem kleinen Loch 16' versehen, so daß nur ein
Teil des von der Lichtquelle 14 kommenden Lichts durch die Öffnung 16' zur hinteren
Endfläche 13b fällt, wenn die Blende 16 - wie dargestellt -in ihrer Lichtunterbrechungsstellung
ist und hierdurch geeignetes Licht für die Beobachtung des Objekts liefert. Wenn
die Blende aus dem optischen Licht herausgedreht ist, wird die Gesamtmenge des von
der Lichtquelle 14 kommenden Lichts zum optischen Lichtleitersystem 13 geliefert,
wodurch das Objekt für die Belichtung des Films mit genügend großer Intensität belichtet
wird.
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Die Elemente des Endoskops sind für die Beobachtung des Objekts normalerweise
wie dargestellt angeordnet. Durch Betätigung des Auslösers wird jedoch der Reflektionsspiegel
9 in seine Filmbelichtungsstellung geschwenkt und die Licht unterbrechungsblende
16 wird durch die Drehspule 17 aus dem optischen Weg herausgeschwenkt. Die Drehspule
wird durch die Belichtungssteuerungsvorrichtung betätigt, die ihrerseits durch den
Auslöser betätigt wird. Die Belichtung des Films beginnt.
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Um die Belichtung des Films nach Ablauf einer genauen Belichtungszeit
zu beenden, ist ein fotoelektrlsches Element 18 vorgesehen, das dem Strahlenteiler
7 zugeordnet ist, so daß es einen Teil des Lichts, das von der hinteren Endfläche
4b des optischen BildUbertragungssystems 4 ausgeht, aufnimmt Daher erzeugt das fotoelektrische
Element 18 ein Signal, das der Intensität des vom ObJekt kommenden Lichts entspricht.
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Das im fotoelektrischen Element 18 erzeugte Signal wird der automatischen
Belichtungssteuerungsvorrichtung nach Fig. 2 zugeführt, um die Belichtung des Films
nach exakter Belichtung in Abhängigkeit von dem vom fotoelektrischen Element 18
gelieferten Signal, zu beenden.
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In Fig. 2 ist das Fotoelement 18 mit einem Gleichstromverstär kerkreis
19 verbunden, der seinerseits mit einem Einstellkreis 20 verbunden ist. Der Einstellkreis
20 ist mit einem Schaltkreis 21 verbunden, an den die Drehspule 17 angeschlossen
ist.
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Das vom Fotoelement 18 erzeugte Signal wird dem Gleichstromverstärkerkreis
19 und das verstärkte Signal wird dem Einstellkreis 20 zugeführt. Dort wird eine
der genauen Belichtungszeit unter den Bedingungen des vom Objekt auf den Film fallenden
Lichts
entsprechende Zeitkonstante erzeugt. Nach der durch die Zeitkonstante des Einstellkreises
20 festgelegten Zeit wird der Schaltkreis 21 betätigt, um die lichtunterbrechende
Blende 16 durch de Drehspule 17, die mit dem Schaltkreis 21 verbunden ist, in ihre
in Fig.1 dargestellte unterbrechende Stellung zu bringen und dabei die Belichtung
des Films zu beenden. Durch Freigeben des Auslösemechanismus wird der Reflektionsspiegel
9 in die in Fig. 1 dargestellte Beobachtungsstellung zurückgedreht, so daß das Bild
des Objekts durch das Suchersystem 8, 10, 11 beobachtet werden kann.
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Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung ist der halbdurchlässige
Überzug 7a des Strahlenteilers 7 so ausgebildet, daß er spezielle spektroskopische
Eigenschaften hat.
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Die spektroskopische Empfindlichkeit des fotoelektrischen Elements
ist so gewählt, daß dieses den spektroskopischen Eigenschaften des ihm durch den
Strahlenteiler 7 zugeführten Lichts entspricht. Das fotoelektrische Element 18 spricht
besonders wirksam an und-es tritt ein wesentlicher Verlust an Licht, das für die
Belichtung des Films erforderlich ist, ein.
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Eine üblicherweise als Lichtquelle verwendete Glühfadenlampe hat spektroskopische
Eigenschaften, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind. Wie dieser Figur entnommen werden
kann, liegt
die höchste Energieverteilung des Lichts einer Glühfadenlampe
im Bereich von Wellenlängen größer als 700 mµ im Bereich des ultraroten Lichts.
In entsprechender Weise hat eine Xenenlampe spektroskopische Eigenschaften, wie
sie in Fig. 4 dargestellt sind. Die größte Energieverteilung des Lichts einer Xenonlampe
liegt im Bereich von der Wellenlänge von 800 - 1000 mµ, ebenfalls im Bereich ultraroten
Lichts.
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i,In Ublicher Film, wie er in einem Endoskop verwendet wird, hat eine
hohe Empfindlichkeit im Bereich der Wellenlängen des sichtbaren Lichts.
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Daher ist es vorteilhaft, nur den Teil des vom Objekt kommenden Lichts,
das eine hohe Energieverteilung im Bereich der Wellenlänge des ultraroten Lichts
hat, zur Betätigung des fotoelektrischen Elements 18 zu verwenden, währendder verbleibende
Teil des Lichts ohne irgendeinen wesentlichen Verlust an sichtbarem Licht filr die
Belichtung des Films verwendet wird.
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Zu diesem Zweck wird der halbdurchlässige Überzug 7a des Strahlenteilers
aus einem Vielschichten-Überzug aus MgF2 und ZnS hergestellt, der spektroskopisch
eine Reflektlonsvertellung hat, wie sie durch die ausgezogene Linie in Fig. 6 dargestellt
ist. Wie dargestellt, hat das Reflektionsvermögen des Vielschichten
-Überzugs
von MgF2 und ZnS seine Spitzenwerte im Bereich von Wellenlängen von 900 nyl. Als
Fotoelement 18 kann ein Siliziumfotoelement verwendet werden, das eine spektroskopische
Empfindlichkeit aufweist, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist Dieser Figur ist zu
entnehmen, daß die Spitzenempfindlichkeit des Siliziumfotoelements im Bereich von
Wellenlängen um 900 mµ liegt. Daher wird das als Fotoelement 18 verwendete Siliziumfotoelement
durch das von dem halbdurchlässigen VielschichtenUberzug 7a aus MgF2 und ZnS reflektierte
Licht besonders wirkungsvoll betätigt, ohne daß ein wesentlicher Verlust an Licht
der Wellenlängen eintritt, welche fUr die Belichtung des Films erforderlich sind.
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Die gestrichelte Linie in Fig. 6 zeigt das spektroskopische Reflexionsvermögen
einer halbdurchlässigen Schicht aus ZnS.
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Wie hieraus entnommen werden kann, ist ein Überzug aus ZnS nicht geeignet
als halbdurchlässiger Überzug nach der vorliegenden Erfindung, da das Reflexionsvermögen
im Bereich des infraroten Lichts gering ist.
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Wie beschrieben, sind gemäß der Erfindung fotoelektrische Elemente
besonders wirksam. Hierdurch wird der Ausgang des fotoelektrischen Elements vergrößert
und damit das 8/N-Verhältnis
des elektrischen Kreises der automatischen
Belich tungssteuerungsvorrichtung verbessert. Die Drift der in der Belichtungssteuerungsvorrichtung
enthaltenen Halbleiter wird verringert und ihre Genauigkeit damit vergrößert.
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Es ist klar, daß die vorliegende Erfindung auch anwendbar ist auf
ein Endoskop mit zwei Lichtquellen, einer für Filmbelichtungszwecke und einer für
Beobachtungszwecke, die abwechselnd für die Beobachtung und die Filmbelichtung eingeschaltet
werden.
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Es ist ebenfalls klar, daß die spektroskopischen Charakteristiken
der Fotoelemente,wie auch des halbdurchlässigen Überzugs, in geeigneter Weise, je
nach den spektroskopischen Charakteristiken der Lichtquellen, verändert werden können.
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Erfindungsgemäß ist es ebenfalls möglich, das Licht, das vom Strahlenteiler
reflektiert wird, für die Belichtung oder die Beobachtung zu verwenden, während
der verbleibende Teil des Lichts der durch den Strahlenteiler geht, zur Betätigung
des fotoelektrischen Elements uerwendet werden kann. Die spektrostrale Verteilung
des Reflektionsvermögen der halbdurchlässigen Schicht des Strahlenteilers muß dann
in geeigneter Weise geändert werden.