DE3132241A1

DE3132241A1 - Fibroskop mit einer dynamischen bildverbesserung und objektiv fuer ein solches

Info

Publication number: DE3132241A1
Application number: DE19813132241
Authority: DE
Inventors: Walter P. 06281 Woodstock Conn. Siegmund
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: Warner Lambert Technologies Inc
Priority date: 1980-08-15
Filing date: 1981-08-14
Publication date: 1982-06-16
Also published as: GB2081923A; JPS5746211A; FR2488505A1; HK3485A; GB2081923B; US4378952A; CA1158468A; FR2488505B1

Description

PATENTANWÄLTE · EUROPEAN PATENT ATTORNEYS Zugelassen bei den deutschen und europäischen Patentbehörden

Flüggenstraße 17 · D-8000 München 19

A 1688-D 14. August 1981

American Optical Corporation, 14, Mechanic Street,' Southbridge, Massachusetts 01550 / USA

Fibroskop mit einer dynamischen Bildverbesserung und Objektiv für ein solches

DIEHU &"KKESS1N'^:' 3132241

PATENTANWÄLTE · EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Zugelassen bei den deutschen und europäischen Patentbehörden ·

Rüggenstraße 17 · D-8000 München 19

A 1688-D 14. August 1981

American Optical Corporation,

14, Mechanic Street,

Southbridge, Massachusetts 01550 / USA

Fibroskop mit einer dynamischen Bildverbesserung und·Objektiv für ein solches

Die Erfindung betrifft ein Fibroskop mit einer dynamischen Bildverbesserung gemäss dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Objektiv für ein derartiges Fibroskop.

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Die Erfindung liegt allgemein auf dem Gebiet von Faseroptik-Bildübertragungssystemen und befasst sich speziell mit einer Verbesserung von deren Bildübertragungseigenschaften.

Faseroptikbündel, in denen die entgegengesetzten Enden in identischen geometrischen Mustern angeordnet sind, stellen Bildübertragungseinrichtungen,dar, mittels derer das zur Rekonstruktion der Bilder benötigte Licht nach den bekannten Prinzipien der inneren Totalreflexion transportiert wird. Die Dichte der Faserpackung und

speziell das Muster, mit denen die Enden der Fasern angeordnet sind, die Durchmessergrössen der Fasern und die Dicken derer Umhüllungen sowie Faserbrüche und Änderun-.' gen in den Übertragungseigenschaften beeinflussen jeweils allein und/oder zusammen die Auflösung der übertragenen Bilder sowohl bei starren als auch bei flexiblen Faserbündeln.

In Kenntnis der Notwendigkeit, eine Bildverschlechterung auszugleichen, welche auf dem Abstand der Faserkerne, dem Auftreten von Faserbrüchen oder von Fehlstellen beruht, die durch Gasblasen oder Fremdstoffeinschlüsse bedingt sind, wurden sog..dynamische Bildverbesserungen entwikkelt, um die nichtleitenden oder nur teilweise leitenden Fasern und die Abstände zwischen diesen mit den Gesamtmustern der Enden der transportierenden Faserbündel zu Integrieren. Die Theorie der dynamischen Abtastung ist in dem "Journal of the Optical Society· of America", Volume Nr.5 Mai 1957 Seiten 423-427, beschrieben sowie auch in "New York· Academic Press", 1967'Seiten 88-99.

Die bislang verwendeten dynamischen Abtastsysteme sind jedoch unhandlich, kompliziert und teuer. Selbst in den günstigsten Fällen sind sie nicht ausreichend kompakt, um im medizinischen Bereich und auf den Gebieten der Industrie Verwendung zu finden, bei denen Fibroskope mit kleinen Durchmessern benötigt werden. Die US-Patente 3. O.16 785, 3 217 588 und 3 217 589 zeigen Beispiele von dynamischen Äbtastsystemen für Fibroskope, aus denen die Kompliziertheit und Unhandlichkeit dieser Geräte ersichtlich ist.

Neuere Systeme bewirken eine Bildverbesserung durch die Verwendung oszillierender Glasplatten oder kurzer Faseroptikbündel, die zwischen den Fibroskopobiektiven und den

Bildaufnahmeenden des Faserbündels angeordnet sind.

Die US-Patente 4 141 624 und 4 154 5o2 zeigen diese Systeme. Der Einbau von ein Oszillieren des Bildes bewirkenden Mitteln' zwischen die Objektivlinsen und das die Bilder aufnehmende Ende des Fibroskons stört jedoch die distale Kompaktheit in dem Endoskop, die mit kurzbrennweitigen Objektiven erreichbar ist.

• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,, ein Fibroskop mit dynamischer Bildverbesserung zu · schaffen, das insbesondere im distalen Bereich eine grössere Kompaktheit ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 16 gelöst. Bevorzugte , Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Das erfindungsgemässe Fibroskop eignet sich besonders für Anwendungsgebiete im medizinischen und technischen Bereich, bei denen kleine Fibroskope benötigt werden.

Mit der Erfindung erhält man des weiteren ein Weitwinkelobjektiv für ein Fibroskop mit minimaler Aberration.

Mit der Erfindung wird ein Fibroskop geschaffen, dessen Objektiv ein oszillierendes Linsenglied enthält, das nahe .an dem Bildaufnahmeende des Fibroskop-Faserbündels angeordnet ist. Das Objektiv bewirkt, dass von ihm erzeugte Bilder das Aufnahmeende des Faserbündels bestreichen, so dass auf diesem Wege durch Fehlstellen bedingte Ausfälle im Bildleitbündel vermieden werden. Durch eine synchrone Abtastung des entgegengesetzten Endes des Faserbündels erhält man für die Betrachtung geeignete stehende Bilder.

Die folgenden Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung:

Fig.1 zeigt in teilgeschnittener schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel des Fibroskops; Fig.2 zeigt eine Querschnittsansicht des in Fig.1 gezeigten Fibroskops längs der Linie 2-2 von Fig.1; Fig.3 zeigt eine Variante des Bildverbesserungssystems.

In Fig.1 ist zum- Zwecke einer vereinfachten Darstellung der Erfindung ein Fibroskop 1o schematisch dargestellt. Die gezeigten Bauelemente sind in Wirklichkeit ummantelt, wobei Details dieser Ummantelung hier nicht erörtert werden.

Es wird diesbezüglich auf die US-Patentschrift 3 913 568 ■beispielshalber verwiesen, die eine spezielle Form eines Faseroptikendoskops zeigt, auf das die vorliegende Erfindung unter anderem anwendbar ist.

Das Fibroskop 1o enthält ein Bildleit-Faserbündel 12 aus optischen Fasern 14, wobei die entsprechenden entgegenge- ' setzten Enden der Fasern in identischen geometrischen Mustern angeordnet sind. Auf das Bildaufnahmeende 16 des Faserbündels gerichtete Bilder werden auf die Austrittsfläche 18 mittels der bekannten Prinzipien der inneren'" Totalreflexion transportiert.

Eine Bildverbesserung zwecks Unterdrückung von Fehlstellen im Faserbündel wird mittels eines Objektivs 2o erreicht, ■

das Bilder von Objekten 22 auf der Eingangs fläche 16 des • Faserbündels 12 erzeugt.

Das Objektiv 2o enthält eine stationäre erste Linse 24 und eine zweite Linse 26, die so ausgebildet ist, dass die um· eine Achse 28 in eine oszillierende Bewegung versetzt werden kann (s. diesbezüglich Fig.1 und Fig.2). Die erste Linse 24 ist in der Halterungsstruktur 3o (s. Fig.2) des Fibroskops 1o fixiert. Einzelheiten der'Haiterungsstruktur .

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β · β . β

sind in den Zeichnungen nicht dargestellt, da diese bezüglich der vorliegenden Erfindung nicht kritisch sind. Es kann hierzu jede herkömmliche Fibroskophalterungseinrichtung verwendet und/oder entsprechend abgewandelt werden, wozu es lediglich handwerklicher Massnahmen bedarf. Ein Beispiel hierfür ist die in der US-PS 3 913 568 dargestellte Struktur.

Stifte 32 erstrecken sich, wie aus Fig.2 ersichtlich, in Richtung aufeinander von der Halterungsstruktur 3o längs einer Achse 28, wobei sie einen Permanentmagneten 34 haltern, welcher die zweite Linse 26 trägt. Der Permanentmagnet 34 ist vorzugsweise ringförmig gestaltet, wobei in diesem Ring die Linse 26 eingekittet oder in anderer Weise koaxial gehaltert ist. Lager 36, die vorzugsweise mit Edelsteinen versehen sind, liefern die Schwenkverbindung zu den Stiften 32.

Benachbart zu dem Magneten 34 ist ein Wechselstromsolenoid 3 8 auf das Faserbündel 12 nahe der Bildaufnahmefläche 16 aufgekittet oder auf andere Weise befestigt. Wenn das Solenoid 38 nicht erregt ist, wird der Magnet 34 parallel zur Stirnfläche 16 des Faserbündels 12 durch Kissen 4o . aus Schaumgummi gehalten. Andere entsprechend wirkende Materialien oder Federn können ebenfalls hierfür verwendet werden. Die Kissen 4o erlauben eine Vor- und Rückverschwenkung des Magneten 34 gegenüber der Stirnfläche 16, wenn die Pole N und S alternierend von dem Wechselstromsolenoid angezogen werden, dh. wenn das Solenoid erregt ist. Der Magnet- 34 kann daher mit einer Frequenz, die der des den Leitungen 41 zugeführten Wechselstroms entspricht, zu einer harmonischen Schwingung um die Achse 28 angeregt werden. Eine zyklische Bewegung des Magneten 34 wird durch die Rückstellkraft der Kissen 4o bewirkt. Anstelle der Kissen 4o. kann, auch ein zweiter Permanentmagnet 42 verwen-

det werden, der vor dem Magneten 34 starr angebracht ist. Wenn die Nord«- und Südpole des zweiten fest angebrachten Magneten 42 den Polen des Magneten 34, wie in Fig.1 gezeigt, gegenüberliegen, wird der Magnet 34 konstant in eine neutrale Lage gedrängt, bei der er parallel zu dem festen Magnet 42 ist. Der feste Magnet 42 ist in Fig.1 strichliert angedeutet.

Zur Erreichung einer Kompaktheit, dh. einer möglichst Ιο kurzen Baulänge für den distalen Teil des Fibroskops 1o, ist das Objektiv 2o mit einer kurzen rückwärtigen Brennweite konstruiert. Eine rückwärtige Brennweite, welche die rückwärtige Oberfläche 4 4 der. zweiten'Linse 26 in einen Abstand von etwa o,5 bis 1,o mm von der Stirnfläche 16 des Faserbündels bringt, ist für einen Objektabstand von etwa 25 mm wünschenswert.

Bei einer bevorzugten Konstruktion des Objektivs 2o ist die rückwärtige Fläche 44 der zweiten Linse -26 flach ausgebildet und verläuft durch die Achse 28, um welche die Linse 26 in eine oszillierende Bewegung versetzt wird. Die Mitteldick'e der Linse 26 ist des weiteren vorzugsweise so gewählt, dass sie annähernd gleich dem Krümmungsradius von der Vorderfläche 4 6 ist oder umgekehrt. Die

25' oszillierende Bewegung der Linse 26 um die Aehse 2 8 erzeugt daher keine axiale Bewegung der Oberfläche. 46 bezüglich der festen Linse 24.

Geeignete Parameter für die Linsen. 24 und 26 sind:

Für die Linse 24

ein Brechungsindex von 1,518, eine ebene Stirnfläche 4 8 und eine sphärische Rückflache 5o mit einem Krümmungsradius von etwa 6 mm;

für die Linse 26

ein Brechungsindex von 1,617, eine sphärische Vorderfläche mit einem Krümmungsradius von etwa 3 mm, eine rückwärtiqe ebene Oberfläche 44 und eine Mitteldicke von etwa .3 mm.

'Es versteht sich, dass die Mitteldicke der Linse 24 nach Wunsch geändert werden kann und dass.des weiteren die von der Oberfläche 44 festgelegte Ebene der Linse 26, falls dies erwünscht ist, getrennt von der Achse 28 liegen kann. Die vorstehend beschriebene Konstruktion für die Linse 26 bewirkt jedoch eine Vermeidung sekundärer Aberrationen.

An dem entgegengesetzten proximalen Ende-des Fibroskons ' 1o, an das von dem Faserbündel 12 die Bilder übertragen werden und das mit einem Auge E betrachtet wird, hebt man. die den Bildern am Eintrittsende 16 zugeführte und zu dem Austrittsende 18 übertragene Abtastbewegung wieder auf, um für die Betrachtung stationäre Bilder zu erhalten.

In Fig.1 ist ein symmetrisches. System dargestellt, bei .dem die Bauelemente des Fibroskons am distalen und am proximalen Ende wesentlich identisch sind. Die den von der Stirnfläche 16 des Faserbündels 12 aufgenommenen Bildern erteilte Bewegung wird zum Zwecke der Betrachtung dadurch aufgehoben, dass die Linse 26 und die Aufnahmelinse 52 mit identischer Phase und Frequenz in Schwingung gesetzt sind. Man kann dies erreichen, indem man die Solenoide 3 8 und 38a am distalen bzw. proximalen Ende des Fibroskops von der gleichen Spannungsquelle - beispielsweise 6o Hertz-Wechselstrom aus erregt und die Amplituden anpasst, indem man die Spannung - oder den Strom - justiert, der einen der Solenoide oder beiden Solenoiden zugeführt wird. In den Zeichnungen nicht dargestellte Okularlinsen können vor dem Auge E

zur verbesserten bzw. vergrösserten Betrachtung der erhaltenen Bilder verwendet werden, falls dies erwünscht ist.

Das in Fig.-1 dargestellte System kann an seiner proximalen Seite auch gemäss der Darstellung von Fig.3 abgewandelt werden, wobei eine ebene Glasplatte 56 anstelle der Linse 52 verwendet wird. Details für eine derartige Betrachtungsanordnung sind in den US-Patentschriften . 4 141 624 und 4 154 5o2 zu finden, welche des weiteren . Okularlinsen beschreiben, welche sich zur Verwendung bei den Ausführungsbeispielen gemäss den Fig.1 und 3 der vorliegenden Erfindung eignen.

Aus vorstehendem dürfte ersichtlich sein, dass im Fibroskop die Bildabtastung am distalen Ende allein mittels eines Gliedes des Objektivs erreicht wird, wodurch nur ein minimaler Platz benötigt wird und sowohl Kosten als auch die Kompliziertheit des Aufbaues verringert werden.

Claims

Patentansnrüche

1 i Fibroskop mit einem Bildübertragungs-Faserbündel (12) und einem vor dem einen Ende (16) des Faserbündels (12) angebrachten Objektiv (2o) , sowie mit einer dynamischen Bildverbesserung,

dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Glied (26) des Objektivs (2o) relativ zu dem einen Ende (16) des Faserbündels (12) verschwenkbar gelagert ist, und dass Mittel (34,38) vorgesehen sind, welche das verschwenkbare.Glied (26) derart' einer gesteuerten Oszillationsbewegung unterziehen, dass das von dem Objektiv (2o) erzeugte Bild wiederholt das .

eine Ende (16) des Faserbündels quer bestreicht.

2. Fibroskoo nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, · *·"""' dass das Objektiv (2o) zwei Linsen (24,26) enthält, von i denen die erste Linse (24) starr in einem festen Abstand ■ *^T von dem distalen Ende (16) des Faserbündels (12) angeordnet ist und die zweite Linse (26) zwischen der ersten Linse (24) und dem Faserbündel (12), und dass die zweite Linse (26) das verschwenkbare Glied des'Objektivs (2o) bildet.

3. FibroskoO nach Ansnruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (2o) fluchtend mit dem Faserbündel (12).angeordnet ist, und dass die Schwenkachse (28) des verschwenkbaren Gliedes (26) senkrecht zur schen Achse des Objektivs (2o) verläuft.

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4. Fibroskop nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel, welche das verschwenkbare Glied (26) einer Oszillationsbewegung unterziehen, einen Permanentmagneten (34) und ein benachbart zu diesem angebrachtes Wechselstromsolenoid (38) enthalten, wobei das eine dieser Bauelemente stationär und das andere auf dem verschwenkbaren Glied (28) befestigt ist.

5. Fibroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (34) ringförmig ausgebildet und auf der zweiten Linse (26) befestigt ist, und dass das Solenoid (38) auf dem Faserbündel (12) benachbart zu dessen Ende (16) befestigt ist. ■ .

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6. Fibroskop nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel, welche das verschwenkbare Glied (26) einer gesteuerten Oszillationsbewegung unterziehen, einen Rückstellmechanismus (4o bzw·.

42) enthalten, der bestrebt ist, das verschwenkbare Glied (26) in eine neutrale Lage zu drängen.

7. Fibroskon nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Magneten und dem Solenoid (38) -federnd-elastische Mittel, vorzugsweise zumindest ein Schaumgummikissen, angeordnet sind.

. .8... Fibroskop nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Magneten gegenüberliegend, und zwar auf der bezüglich des Solenoids (38) abgekehrten Seite, ein weiterer starr angeordneter Permanentmagnet angeordnet ist.

9. Fibroskon nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linse (26) mit einer benachbart zu dem einen Ende (16) des Fibroskops (12) gelegenen ebenen Bildaustrittsoberfläche und mit einer gegenüberliegenden, gekrümmt verlaufenden Oberfläche (46) versehen ist, und dass die zweite Achse (28) quer durch diese ebene Oberfläche (44) verläuft.

1o. Fibroskon nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die einander gegenüberliegenden Oberflächen (5o,46) der ersten Linse (2o) und der. zweiten Linse (26) gekrümmt verlaufen.

11. Fibroskop nach Anspruch 9 oder. Ίο, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Achse (28) quer zu der zweiten Linse (26) verläuft, und zwar annähernd durch den Krümmungsmittelpunkt von deren gekrümmter Oberfläche (4 6) . .

12. Fibroskop nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linse (26) eine Mitteldicke aufweist, die annähernd gleich dem Radius ihrer gekrümmten Oberfläche (46) ist.

13. Fibroskop nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Ende (18) des Faserbündels (12) Mittel vorgesehen sind, mit denen dieses synchron zu der Oszillationsbewegung des verschwenkbaren Gliedes (26) in dem Objektiv (2o) abtastbar ist.

14. Fibröskop nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das distale Ende und das proximale Ende gleich aufgebaut sind (Fig.1).

15. Fibroskop nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an dem proximalen Ende des Faserbündels 12 ein Solenoid und diesem gegenüberliegend eine, verschwenkbar gelagerte ebene Glasplatte (56) angeordnet sind.

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16. Objektiv für ein Fibroskop mit dynamischer Bildverbesserung, gekennzeichnet durch eine erste stationäre Linse (24) und eine schwenkbare Linse (26) , die benachbart zueinander ausgerichtet sind.

17. Objektiv nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (24,26) längs einer gemeinsamen Achse ausgerichtet sind, und dass die Verschwenkung der zweiten Linse (26) um eine zweite Achse (28) erfolgt, die etwa rechtwinklig durch die gemeinsame Achse verläuft.

18. Objektiv nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch Mittel (34,3-8), 'um die zweite Linse (26) um die zweite Achse (28) in eine zyklisch oszillierende Bewegung zu versetzen.

19. Objektiv nach einem der Ansnrüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugekehrten Oberflächen (5o,46) der ersten und zweiten Linse (24,26)

• · · «Ο«* · ο · κ 6 · β · · ο · « α · ο ο ο

·· - 3132 2Λ1

-5-

gekrümmt verlaufen, und dass die entgegengesetzte Oberfläche (44) der zweiten Linse (26) eben verläuft.

2o. Objektiv nach einem der Ansprüche 16 bis 19,

dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Achse (28) quer •durch die zweite Linse (26) verläuft, und zwar annähernd durch den Krümmungsmittelpunkt der gekrümmten Oberfläche (47)·.
1o

21. Objektiv nach einem der Ansprüche 16 bis 2o, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Achse (2 8) quer über die ebene Fläche (44) der zweiten Linse (26) verläuft.

22. Objektiv nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite· Linse (26) eine Mitteldicke aufweist, die annähernd gleich dem Krümmungsradius der gekrümmten Oberfläche (46) derselben ist.