DE3028597C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Beleuchtungssystem für Endoskope nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Beleuchtungssystem dieser Art (DE-OS 25 44 519), welches der im nachfolgenden noch zu erläuternden Fig. 1 der beigefügten Zeichnung entspricht, wird der zu beleuchtende Gegenstand mit divergent auseinanderlaufenden Strahlen beleuchtet, um den zu beleuchtenden Gegenstand großflächig (im Vergleich zum Lichtleiter-Querschnitt im mm-Bereich) zu beleuchten. Um keine Abschattung durch einen Abstandsschirm zu erhalten, läßt man die zunehmend divergierenden Strahlen die optische Achse kreuzen. Man erhält auf diese Weise zwar eine relativ gleichmäßige Beleuchtung ohne Wiedergabe der Faserstruktur des Lichtleiters; die Beleuchtungsintensität fällt zum Rand des Beleuchtungsfelds jedoch stetig auf den Wert Null ab mit der Folge, daß der entsprechende Randbereich einerseits zu lichtschwach für die Beobachtung des Gegenstands ist und die in diesen Randbereich fallenden Lichtstrahlen andererseits für die Nutzung (Ausleuchtung des Gegenstands) verlorengehen.

Die Beleuchtung des Gegenstands über ein Beleuchtungs­ faserbündel eines Lichtleiters mit Abbildung der Licht­ quelle auf den Gegenstand ist ebenfalls bekannt (G. Schröder "Technische Optik", Vogel-Verlag, Würzburg, 1974, Seite 100).

Aus der DE-OS 22 05 996 ist es im Zusammenhang mit einer Reflexionsschranke bekannt, mit Hilfe eines zylindrischen Reflexionsgliedes sowohl die von einem Lichtleiter- Faserbündel abgegebenen Strahlen zur gleichmäßigen Aus­ leuchtung eines Gegenstands zu vereinigen als auch die von dem Gegenstand abgegebenen und über ein zweites Faser­ bündel zu einem Detektor weitergeleiteten Strahlen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Beleuchtungssystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches unter Vereinfachung des kompakten Aufbaus für eine gleichmäßige, lichtverlustarme Ausleuchtung des zu beleuchtenden Gegenstands sorgt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 in Verbindung mit dem Oberbegriff gelöst.

Gemäß der Erfindung erhält man eine wenigstens angenähert randscharfe Projektion des Beleuchtungslichtes auf den Gegenstand mit gleichmäßiger Beleuchtungsintensität.

Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.

Es zeigt:

Fig. 1 den Aufbau eines bekannten optischen Beleuchtungssystems für Weitwinkelendoskope;

Fig. 2 die Verteilungskurve der Lichtintensität bei diesem optischen System;

Fig. 3 ein optisches Beleuchtungssystem vom Projektionstyp,

Fig. 4 die Verteilungskurve der Lichtintensität des optischen Systems gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Beleuchtungslichtverteilung auf der Gegenstandsfläche im Falle der Verwendung eines optischen Systems gemäß Fig. 3;

Fig. 6 das optische System gemäß Fig. 3, jedoch mit vergrößertem Abstand zwischen Beleuchtungssystem und Lichtleiter;

Fig. 7 schematisch ein erfindungsgemäßes optisches Beleuchtungssystem;

Fig. 8 bis 10 verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Systeme;

Fig. 11 bis 14 schematisch den Aufbau von optischen Systemen nach der Erfindung, für die einzelne Daten angegeben sind;

Fig. 15 das Verhältnis zwischen der Stellung des zu beleuchtenden Objekts und der Feldblende und anderen Teilen des Systems;

Fig. 16 den Strahlenverlauf bei einer Monofaser mit gekrümmter Endfläche und

Fig. 17 den Strahlenverlauf bei einer selbstfokussieren­ den Monofaser.

Seit Endoskope neuerdings mit Weitwinkelbetrachtungs­ systemen ausgerüstet werden, ist es notwendig geworden, daß das Beleuchtungssystem auch für größere Bildfeldwinkel ausgelegt wird. In Fig. 1 ist ein beispielsweise aus der DE-OS 25 44 519 bekanntes Weitwinkelbeleuchtungssystem dargestellt, das aus dieser Notwendigkeit heraus ent­ wickelt worden ist. Dabei ist ein positives Linsensystem 2 vor einem Lichtleiter 1 angeordnet, der ein optisches Faserbündel enthält. Bei dieser Anordnung wird das Beleuchtungslicht, das von dem Lichtleiter 1 kommt, durch das positive Linsensystem 2 zunächst konvergent und dann divergent gemacht. Unter Verwendung dieses divergenten Lichtstrahls ist es möglich, eine Weitwinkelbeleuchtung zu erhalten. Die Beleuchtung durch dieses Beleuchtungssystem hat jedoch den Nachteil, daß der Randbereich des Gesichts­ feldes zu schwach beleuchtet ist. Der Grund dafür liegt darin, daß bei einem solchen Beleuchtungssystem die Verteilungskurve der Lichtintensität den in Fig. 2 gezeigten Verlauf hat. In dem Maße, wie der Beleuchtungs­ winkel größer wird, wird die Lichtintensität kleiner und erreicht schließlich Null. Daher ist das nutzlose Beleuch­ tungsfeld bei einem solchen Beleuchtungssystem viel kleiner als der Bereich, den das Beleuchtungslicht er­ reicht. Das in den Randbereich gelangende Licht geht dem nutzbaren Beleuchtungsfeld verloren (Lichtverschwendung). Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es denkbar, die Endfläche des Lichtleiters auf den zu beleuchtenden Gegenstand zu projizieren (nachstehend als "Projektions­ typ" bezeichnet). Demgemäß wird ein Bild der Austritts­ fläche 1 a des Lichtleiters 1 auf der Gegenstandsoberfläche 4 mittels der Linse 3 erzeugt, wie dies in Fig. 3 darge­ stellt ist. Bei diesem Beispiel ist das Linsensystem so gewählt, daß die Größe des Bildes der Austrittsfläche des Lichtleiters dem des Betrachtungsgesichtsfeldes ent­ spricht, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß eine Parallaxe beseitigt wird (bekanntlich existiert eine Parallaxe, da ein Bildleiter und ein Lichtleiter neben­ einander in einem Endoskop angeordnet sind). Auf diese Weise wird das Betrachtungsfeld vollständig beleuchtet, wobei das Beleuchtungslicht keine Bereiche außerhalb des Betrachtungsfeldes erreicht, so daß keine Lichtverschwen­ dung auftritt. Da die Austrittsfläche des Lichtleiters projiziert wird, erhält man die in Fig. 4 gezeigte Licht­ intensitätsverteilung, bei der eine bestimmte Licht­ intensität auch beim größten Blickfeldwinkel gegeben ist. Daher ist eine Betrachtung über den gesamten Bereich, den die Beleuchtung erfaßt, möglich; Beleuchtungsfeld und Gesichtsfeld fallen zusammen. Weiterhin ist die Tatsache, daß das Beleuchtungslicht keine Bereiche außerhalb des Betrachtungsfelds erreicht, nicht nur zur Vermeidung von Verschwendung von Beleuchtungslicht wesentlich, sondern auch zur Vermeidung von Reflexionslicht außerhalb des Gesichtsfeldes. Derartiges Reflexionslicht erzeugt Geisterbilder, wenn es in das Betrachtungssystem gelangt und stört die Deutlichkeit der Betrachtung.

Diese Anordnung (Projektionstyp) hat einige Nachteile, wie noch näher erläutert wird. Die Austrittsfläche des Faserbündels als Ganzes leuchtet nämlich nicht gleichmäßig, sondern nur in den Kernabschnitten der einzelnen Fasern. Da die Endfläche der jeweiligen Faser entsprechend ihrem tatsächlichen Zustand auf die Objektoberfläche projiziert wird, ist die Objektoberfläche so beleuchtet, daß nur die Kernabschnitte entsprechend dem in Fig. 5 gezeigten Muster erhellt sind, d. h. die Objektfläche ist beleuchtet, als wäre sie mit einem Netz bedeckt und dies erschwert eine richtige Betrachtung des Objekts außerordentlich. In der Praxis wird das Netzmuster in bestimmtem Umfang durch Linsenaberrationen und andere Faktoren verzerrt, aber dies reicht nicht aus für eine einwandfreie Betrachtung.

Um eine gleichmäßige Beleuchtung zu erhalten, könnte das Bild der Lichtleiterendfläche verschwommen gemacht werden, so daß kein Netzmuster auf der Gegenstandsoberfläche bei einem Beleuchtungsverfahren nach dem zuvor erwähnten Projektionstyp auftritt. Wenn jedoch das Bild verschwommen ist, tendiert die Verteilungskurve der Lichtintensität mehr zu der in Fig. 2 gezeigten Verteilungskurve, so daß ein Verlust an Beleuchtungslicht auftritt mit der Folge, daß einem Randbereich des Gesichtsfeldes Licht fehlt. Um das Bild zum Verschwimmen zu bringen, kann der Lichtleiter 1 von der in Fig. 3 gezeigten Stellung in die von Fig. 6 bewegt werden; in diesem Fall wird jedoch ein Auswärtsstrahl 1′ nach außen am Linsensystem 3 vorbeigeleitet und kann nicht als Beleuchtungslicht wirksam werden. Weiterhin werden Strahlen, wie die Strahlen 1′′, von einem Randbereich 3 a der Linse abgeschnitten. Ein Mittel, mit dem diese Nachteile vermieden werden könnten, bestände darin, den Linsendurchmesser größer zu machen, aber eine solche Maßnahme ist bei einem Beleuchtungssystem für ein Endoskop, das ein schlankes System erfordert, ungeeignet. Wenn auf diese Weise versucht wird, das Netzmuster durch Verschwimmenlassen eines Bildes zu beseitigen, ergibt sich, daß, je größer der Grad des Verschwimmenlassens ist, desto geringer die Vorteile des Beleuchtungssystems vom Projektionstyp sind.

Ein erfindungsgemäß ausgebildetes optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop ist, wie in Fig. 7 gezeigt, so aufgebaut, daß die Austrittsfläche 1 a des Lichtleiters 1 an einer Stelle liegt, die in Abstand von der Ebene ("konjugierte Fläche") angeordnet ist, die zu der Ebene des zu beleuchtenden Gegenstands (in Bezug auf das Linsensystem 3) konjugiert ist, wobei ein zylindrisches Reflexionsglied 6, dessen innere Oberfläche eine Reflexionsfläche ist und das im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der Lichtleiter 1 besitzt, zwischen dem Linsensystem 3 und der Austrittsfläche 1 a des Lichtleiters 1 angeordnet ist. Da so die Austrittsfläche 1 a des Lichtleiters 1 aus der Stellung verlegt ist, die zur Objektoberfläche konjugiert ist, wird das Beleuchtungslicht auf der Objektoberfläche gleichmäßig. Das Netzmuster wird zum Verschwimmen gebracht und verschwindet. Weiterhin werden solche Strahlen, wie die Strahlen 1′ und 1′′ in Fig. 4, die von dem Linsensystem 3 fortgelenkt werden, als Folge der Verlagerung der Austrittsfläche des Lichtleiters aus der konjugierten Fläche an der Reflexionsfläche des zylindrischen Reflexionsgliedes 6 reflektiert, so daß sie als Beleuchtungslicht dienen können. Daher ist es auch möglich, einen Lichtverlust zu vermeiden. Weiterhin wird, da die Innenfläche oder die Peripherie des zylindrischen Reflexionsgliedes als Feldblende dient, die Lichtver­ teilungskurve verbessert, so daß sie nicht der in Fig. 2, sondern eher der in Fig. 4 entspricht.

Weitere Einzelheiten über die Lichtintensitätsverteilungs­ kurve werden nachstehend noch erläutert.

Ein Beleuchtungssystem, bei dem ein zylindrisches Reflexionsglied 6 zwischen dem Lichtleiter 1 und dem Linsensystem 3 entsprechend Fig. 15 angeordnet ist, besitzt eine Lichtintensitätsverteilungskurve für das Beleuchtungslicht entsprechend Fig. 4, wenn die Endfläche 6 a des zylindrischen Reflexionsgliedes 6 an der Seite des Linsensystems 3 und die Objektfläche in bezug auf das Linsensystem 3 konjugiert sind. Wenn jedoch die konjugierte Stellung von der Objektoberfläche abweicht, wird die Lichtintensitätsverteilung gegenüber der von Fig. 4 gering verschlechtert. Wie sich aus Fig. 15 ergibt, wird, wenn die Gegenstandsoberfläche 4 und die Endfläche 6 a des zylindrischen Reflexionsglieds 6 in bezug auf das Linsensystem 3 zueinander konjugiert sind, alle Strahlung von dem zylindrischen Reflexionsglied 6 im Raumwinkel auf die Außenperipherie 4 a des Beleuchtungsfeldes auf der Gegenstandsoberfläche 4 gerichtet. Daher hat das Beleuchtungslicht eine bestimmte Intensität selbst an der Außenperipherie des Beleuchtungsfeldes. Wenn beispiels­ weise die Objektoberfläche näher zum Beleuchtungssystem verlagert und bei 4′ angeordnet wird, wird die Stellung, die zur Gegenstandsstellung 4′ im Beleuchtungssystem konjugiert ist, d. h. die Stellung der Feldblende, zum Lichtleiter 1 hin verlagert, und liegt dann an der durch Strich-Punktlinie angedeuteten Stelle in Fig. 15. Gleich­ zeitig wächst der Durchmesser der Feldblende bis zum Kreuzungspunkt des niedrigstensgelegenen Strahles 1′′′′ von der Außenperipherie des zylindrischen Reflexionsgliedes 6 mit der Ebene der Feldblende 5. Hierbei würde nur die­ jenige Strahlung den äußeren Umfangsbereich 4 a des Beleuch­ tungsfeldes erreichen, die von den niedrigstgelegenen Strahlen stammt. Daher fehlt dem Beleuchtungsfeld Licht an dem äußeren Randabschnitt und das Beleuchtungsfeld wird heller der Mitte zu. Aus diesem Grunde wird der Verlauf der Verteilungskurve für die Lichtintensität gegenüber dem von Fig. 4 verschlechtert. Da jedoch die Brennweite in einem Weitwinkelbeleuchtungssystem für ein Endoskop außerordentlich kurz ist, ist die Veränderung in der Stellung der Feldblende außerordentlich gering, selbst wenn sich die Objektstellung ändert. Daher wird die Verteilungskurve der Lichtintensität nur in einem geringen Maße verschlechtert und entspricht nahezu der in Fig. 4 gezeigten.

Bei einem optischen Beleuchtungssystem nach der Erfindung kann der Abstand der Austrittsfläche des Lichtleiters von der konjugierten Fläche klein sein, wenn die Entfernungen zum Objekt im wesentlichen konstant sind. Wenn jedoch das Objekt weite und nahe Punkte enthält, muß der Abstand größer sein. Wenn der Abstand zu klein ist, wird das Bild der Endfläche des Lichtleiters in einer Zwischenstellung zwischen dem Weitpunkt und dem Nahepunkt gebildet. Wenn daher die Entfernung zum Objekt mit der Bildstellung zusammenfällt, wird das Netzmuster des Bildes der Endfläche zusammen mit dem Objekt betrachtet, was die richtige Betrachtung des Objekts stört. Aus diesem Grunde ist es notwendig, daß das Bild der Endfläche außerhalb des Bereiches der Entfernungen erzeugt wird, innerhalb der die Beobachtung möglich ist.

Wie zuvor dargelegt, kann das erfindungsgemäße optische Beleuchtungssystem unter Aufrechterhaltung der Vorteile des Projektionstypsystems, nämlich der Vorteile der guten Lichtintensitätsverteilungskurve und des vermiedenen Lichtverlustes, den Nachteil des Auftretens einer netzförmigen Beleuchtung eliminieren und statt dessen für eine gleichförmige Beleuchtung sorgen.

Im folgenden soll auf die Länge des zylindrischen Reflexionsgliedes, das bei dem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem verwendet wird, eingegangen werden. Um das Auftreten des Netzmusters der Endfläche des Lichtleiters zu verhindern, das sich ergibt, wenn das Licht von den Kernen der Fasern, die den Lichtleiter bilden, sich bei Entfernung von der Endfläche des Lichtleiters ausbreitet, ist es wünschenswert, die Anordnung so zu treffen, daß die Stelle, an der der Durchmesser C des verbreiterten Lichtbündels mehr als das Doppelte des Durchmessers der Faser beträgt, (einschließ­ lich einer Umhüllung) sich an der Stelle einer Feldblende befindet. Wenn man hierbei annimmt, daß die numerische Apertur des Lichtes von der Lichtleiterendfläche NA′ ist und die zur Vermischung der Lichtstrahlen erforderliche Entfernung zwischen der Lichtleiteraustrittsfläche und der Feldblende a ist, ist es nötig, daß die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

C=2NA′·a
C≧2⌀

Daraus folgt

Daher ist es notwendig, daß a größer ist als , denn, wenn a kleiner als ist, erscheint ein Netzmuster des Lichtleiters auf dem Objekt. Wenn man nun annimmt, daß der Brechungsindex des inneren Teils des zylindrischen Gliedes n beträgt, ergibt sich für die Länge L′ des zylindrischen Gliedes folgendes

Wenn ein Objekt in unendlicher Entfernung beleuchtet wird, liegt die hierzu konjugierte Fläche in der Brennebene des Linsensystems. Demgemäß ist es notwendig, daß die Austritts­ fläche des Lichtleiters an einer Stelle liegt, die vom hinteren Brennpunkt des Linsensystems um mindestens die Entfernung L′ entfernt ist, da das Objekt in näherer Entfernung als im Unendlichen liegt. Es ist nicht notwendig, daß der ganze Luftabstand zwischen dem Linsensystem und dem Lichtleiter durch das zylindrische Reflexionsglied umfaßt ist, es ist aber notwendig, daß das zylindrische Reflexionsglied, das dazwischen angeordnet ist, zumindest die Länge L′ besitzt. Wenn also das Beleuchtungssystem nach der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem Objektiv verwendet wird, das ebenfalls ein nahegelegenes Objekt zu betrachten gestattet, ist es zweckmäßig, daß die Endfläche des Lichtleiters um mindestens den Abstand L′ von derjenigen Ebene (konjugierte Fläche) entfernt angeordnet ist, welche zu der dem Linsensystem am nächsten liegenden möglichen Objektebene konjugiert ist. Es sei darauf hingewiesen, daß ein Luftabstand gut zwischen dem zylindrischen Reflexionsglied und der Endfläche des Lichtleiters vorgesehen werden kann. Wenn jedoch ein Luftabstand vorgesehen ist, ist es not­ wendig, den Durchmesser des zylindrischen Reflexions­ gliedes zu erhöhen, so daß kein Lichtverlust daraus resultiert. Andererseits ist es unerwünscht, wenn der Durchmesser des zylindrischen Reflexionsgliedes größer als der der Linse ist, da dann das distale Ende des Endoskops groß wird. Aus diesem Grunde sollte der Luftabstand innerhalb eines Durchmesserbereiches für das zylindrische Reflexionsglied bestimmt werden, der keinen Lichtaustritt ermöglicht. Daher kann sich, wenn der Durchmesser des zylindrischen Reflexionsgliedes variiert, die Größe der Feldblende ändern. Das Ausmaß des Beleuchtungsfeldes ist jedoch im Verhältnis zum Ausmaß des Gesichtsfeldes be­ stimmt und kann wahlweise eingestellt werden aufgrund der Kombination der Vergrößerung des Objektivs und des Durch­ messers des zylindrischen Gliedes. Daher besteht keine Notwendigkeit für irgendwelche Beschränkungen in der Wahl des Durchmessers des zylindrischen Gliedes, abgesehen von den Notwendigkeiten der praktischen Anwendung.

Im folgenden werden vorteilhafte Ausführungsformen erfindungsgemäßer optischer Beleuchtungssysteme beschrieben.

Fig. 8 zeigt eine Anordnung, die im wesentlichen der von Fig. 7 entspricht, die das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip veranschaulicht. Wie in Fig. 8 gezeigt, ist eine Monofaser 7 (eine große Faser, enthaltend einen Kern 7 a und eine Umhüllung 7 b) zwischen einem Linsensystem 3 und einem Lichtleiter 1 als ein zylindrisches Reflexionsglied angeordnet. Die Monofaser 7 ist mit der Endfläche des Lichtleiters 1 verbunden. Das zylindrische Reflexionsglied kann ein Hohlzylinder sein mit als Spiegelfläche ausgebildeter innerer Oberfläche. Oder es kann eine Glasstange verwendet werden, deren äußere Oberfläche beschichtet ist. Vorteilhafter ist eine Monofaser, da diese einen größeren Reflexionsfaktor aufweist.

Wie sich aus Fig. 9 ergibt, kann eine Monofaser 8 zwischen dem Linsensystem 3 (Einzellinse) und dem Lichtleiter 1 vorgesehen sein, deren eines Ende eine geschliffene asphärische Oberfläche 8 a besitzt, während das andere Ende mit der Austrittsfläche des Lichtleiters 1 verbunden ist. Die sphärische Oberfläche 8 a der Monofaser 8 hat eine Brechkraft, die der einer einfachen Linse entspricht. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht daher nicht nur eine Vereinfachung des Linsensystems, sondern vermeidet auch eine Linsen-Metallfassung und macht das Endoskop schlank.

Fig. 10 zeigt eine Modifikation der Ausführungsform von Fig. 9, bei der die Einzellinse von Fig. 9 durch eine Linse 9 ersetzt ist, die gleichfalls als geschliffene Monofaser ausgebildet ist. Entsprechend dieser Ausführungsform wird das Beleuchtungslicht noch wirkungsvoller ausgenutzt, da ein Lichtstrahl 1′′′, welcher die Umfangsfläche 9 a der Linse 9 erreicht, reflektiert wird.

Besteht das zylindrische Reflexionsglied aus einer Monofaser oder einem Glasstab mit gekrümmter Endfläche (Fig. 9 und 10), tritt ein Verlust von Licht aus dem Reflexionsglied ein, wenn der Neigungswinkel des Lichtes, der das Reflexionsglied durchläuft, groß ist.

Gemäß Fig. 16 durchdringen die Strahlen, die den Kern B durchlaufen, die Umhüllung, wenn der Neigungswinkel größer ist als α₁ nach folgender Formel:

worin n den Brechungsindex des Kerns B und n₁ den Brechungsindex der Umhüllung bezeichnet. Es sei erwähnt, daß die Verwendung einer Umhüllung nicht notwendig ist; in diesem Falle ist n₁=1 in die Formel einzusetzen.

Der Neigungswinkel des den Kern des zylindrischen Reflexionsgliedes durchlaufenden Lichtes ist daher kleiner als α₁. Wenn die Strahlen an der Grenzfläche A zwischen dem Kern und der Umhüllung mit dem Neigungswinkel α₁ zur Luft hin austreten, sollten diese Strahlen den Kern ohne Totalreflexion an der Oberfläche S verlassen, wozu der Krümmungsradius R der Endfläche S des Reflexionsgliedes in den folgenden Bereichen liegen sollte:

worin Dc den Durchmesser des Kerns bezeichnet.

Wenn der Krümmungsradius R der Oberfläche S die obengenannte Beziehung nicht erfüllt, tritt ein Verlust an Licht auf, weil Licht an der Oberfläche S anstatt total auszutreten, total reflektiert wird. In der Praxis sind die Strahlen, die einen Neigungswinkel a₁ besitzen, in ihrer Intensität schwach infolge der Strahlungsverteilung der Lichtquelle und anderen Faktoren, so daß die Beschränkung bezüglich | R | innerhalb des folgenden Bereiches liegen kann:

Wenn die Strahlungsverteilung der Lichtquelle eng ist, und der Neigungswinkel der Lichtstrahlen mit maximaler Neigung in der Faser α₂ beträgt ( α₂<α₁), ergibt sich ein Bereich für R wie folgt:

In der Praxis liegt der Bereich für | R |, wenn die dargelegten Gründe in Betracht gezogen werden, bei

Weiterhin kann die Endfläche einer Monofaser oder einer Glasstange als asphärische Fläche geschliffen sein. In einem solchen Fall kann der Winkel β zwischen dem Normalvektor n und der Achse der Monofaser innerhalb des folgenden Bereiches liegen:

In der Praxis ist ein zulässiger Bereich für β:

Es seien nun die Daten für ein erstes, zweites, drittes und viertes erfindungsgemäßes optisches System angegeben.

System 1

System 2

System 3

System 4

worin
r₁, r₂ . . . die Krümmungsradien der Linsen,
d₁, d₂ . . . die Dicken der Linsen bzw. axialen Luftabstände zwischen diesen,
n₁, n₂ . . . die Brechungsindizes der Linsen,
D den Durchmesser des Lichtleiters, wobei r, d, und n ggf. auch die Daten einer Monofaser als zylindrisches Reflexions­ glied,
f die Brennweite und
ω den halben Bildfeldwinkel bezeichnen. Die Längeneinheit ist mm.
L′ ist der Abstand der Lichtleiter-Austrittsfläche von der Brennebene
NA′ ist die numerische Apertur der aus dem Lichtleiter aus­ tretenden Strahlung.

Von diesen Systemen bezieht sich das System 1 auf das in Fig. 11 gezeigte optische System, bei dem ein zylindrisches Reflexionsglied in Form einer Monofaser zwischen dem Lichtleiter und dem aus zwei konvexen Linsen bestehenden Linsensystem angeordnet ist.

Das System 2 bezieht sich auf das in Fig. 12 gezeigte System, bei dem eine Monofaser, deren Ende eine geschliffene asphärische Oberfläche besitzt, zwischen einer positiven Einzellinse und dem Lichtleiter angeordnet ist.

Das System 3 besitzt den in Fig. 13 gezeigten Aufbau, bei dem eine Monofaser zwischen dem Lichtleiter und einem Linsensystem, das aus einer konkaven Linse und einer konvexen Linse besteht, angeordnet ist.

Das System 4 besitzt den in Fig. 14 gezeigten Aufbau, bei dem eine Monofaser, deren eines Ende eine geschliffene asphärische Oberfläche besitzt, zwischen einer positiven Einzellinse und dem Lichtleiter angeordnet ist.

F bezeichnet in Fig. 11 bis 14 die hintere Brennebene und L′ den Abstand zwischen der hinteren Brennebene und der Austrittsfläche des Lichtleiters.

Die vorstehende Erläuterung bezüglich der als Ausführungsbeispiele angegebenen Systeme betraf Reflexionsglieder von rundzylindrischer Form. Das Reflexionsglied braucht jedoch keine Rundform zu besitzen, sondern kann auch im Querschnitt quadratisch sein oder es kann zugespitzt verlaufen, wobei das eine Ende kleiner ist als das andere.

Das zylindrische Reflexionsglied kann aus einer selbstfokussierenden Faser bestehen, ebenso wie es von einem zylindrischen Reflexionsspiegel, einer Monofaser oder einer Glasstange gebildet sein kann.

Claims (14)

1. Optisches Beleuchtungssystem für Endoskope mit einem Faser-Lichtleiter und einem positiven Linsensystem in Strahlrichtung anschließend an den Lichtleiter, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Austrittsfläche (1 a) des Lichtleiters (1) ein zylindrisches Reflexionsglied (6) mit einer Länge (L) angeordnet ist, daß die Austrittsfläche (1 a) des Lichtleiters (1) in einem Abstand (L′) von derjenigen Ebene angeordnet ist, welche zu der dem Linsensystem (3,3′, 8 a) am nächsten liegenden möglichen Objektebene des zu beleuchtenden Gegenstands (4,4′) konjugiert ist mit wobei⌀ den Faserdurchmesser des Lichtleiters (1),
n den Brechungsindex des inneren Teils des Reflexionsglieds (6) bis zur zylindrischen Reflexionsfläche und
NA′ die numerische Apertur der aus dem Lichtleiter (1) austretenden Strahlung bezeichnet,und daß die Länge (L) des Reflexionsglieds (6) wenigstens gleich dem Abstand (L′) ist.

2. Optisches Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Reflexionsglied als Monofaser (7; 8) ausgebildet ist.

3. Optisches Beleuchtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Monofaser (8) eine zum Gegenstand hin gekrümmte Endfläche (8 a) aufweist.

4. Optisches Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Linse des Linsensystems von einer Monofaser (8; 9) gebildet ist mit zumindest einer gekrümmten Endfläche (8 a).

5. Beleuchtungssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius R der Endfläche der folgenden Bedingung genügt worin
Dc den Durchmesser der Monofaser,
n den Brechungsindex der Monofaser und
α₁ den Neigungswinkel zur Achse der Monofaser des dem Grenzfall der Totalreflexion an der Umfangs­ fläche der Monofaser entsprechenden Strahls bezeichnet.

6. Beleuchtungssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel β zwischen dem Normalvektor der asphärischen Endfläche und der Achse der Monofaser der folgenden Bedingung genügt worin
n den Brechungsindex der Monofaser und
a₁ den Neigungswinkel zur Achse der Monofaser des dem Grenzfall der Totalreflexion an der Umfangsfläche der Monofaser entsprechenden Strahls bezeichnet.

7. Beleuchtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem aus zwei konvexen Linsen besteht und die folgenden Daten aufweist:

worin
r₁, r₂ . . . die Krümmungsradien der Linsen,
d₁, d₂ . . . die Dicken der Linsen bzw. axialen Luft­ abstände zwischen den Linsen,
n₁, n₂ . . . der Brechungsindizes der Linsen jeweils der Reihe nach von der Bildseite aus,
D den Durchmesser des Lichtleiters,
f die Brennweite und
ω den halben Bildfeldwinkel bezeichnen, wobei die Längen in mm angegeben sind (Fig. 11).

8. Beleuchtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem eine konvexe Linse umfaßt und folgende Daten aufweist:

worin
r₁, r₂ . . . die Krümmungsradien der Linsen,
d₁, d₂ . . . die Dicken der Linsen bzw. axialen Luft­ abstände zwischen den Linsen,
n₁, n₂ . . . der Brechungsindizes der Linsen jeweils der Reihe nach von der Bildseite aus,
D den Durchmesser des Lichtleiters,
f die Brennweite und
ω den halben Bildfeldwinkel bezeichnen, wobei die Längen in mm angegeben sind (Fig. 12).

9. Beleuchtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem eine konkave und eine konvexe Linse umfaßt und folgende Daten aufweist:

worin
r₁ r₂ . . . die Krümmungsradien der Linsen,
d₁ d₂ . . . die Dicken der Linsen bzw. axialen Luft­ abstände zwischen den Linsen,
n₁ n₂ . . . der Brechungsindizes der Linsen jeweils der Reihe nach von der Bildseite aus,
D den Durchmesser des Lichtleiters,
f die Brennweite und
l den halben Bildfeldwinkel bezeichnen, wobei die Längen in mm angegeben sind (Fig. 13).

10. Beleuchtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem eine konvexe Linse umfaßt und folgende Daten aufweist:

worin
r₁, r₂ . . . die Krümmungsradien der Linsen,
d₁, d₂ . . . die Dicken der Linsen bzw. axialen Luft­ abstände zwischen den Linsen,
n₁, n₂ . . . der Brechungsindizes der Linsen jeweils der Reihe nach von der Bildseite aus,
D den Durchmesser des Lichtleiters,
f die Brennweite und
ω den halben Bildfeldwinkel bezeichnen, wobei die Längen in mm angegeben sind (Fig. 14).