DE4138095C2 - Beleuchtungsvorrichtung für Endoskope - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für Endoskope mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Eine Beleuchtungsvorrichtung dieser Art ist bekannt aus DE 39 03 150 A1 und umfaßt eine Lichtquelle, deren Licht einem Lichtleiter eines Endoskops zugeführt wird, sowie einen Blendenmechanismus, der im Strahlengang der Lichtquelle angeordnet ist und der eine Drehwelle und ein U-förmiges Blendenelement umfaßt, das an der Welle befestigt und zusammen mit der Welle im Strahlengang drehbar ist. Durch Drehung des Blendenelements wird mehr oder weniger Licht der Lichtquelle ausgeblendet, wodurch die den Lichtleiter erreichende Lichtmenge veränderbar ist. Eine Steuerungseinrichtung dient zur Steuerung der Drehstellung der Welle des Blendenmechanismus entsprechend einer vorgegebenen Lichtmenge, die dem Lichtleiter zugeführt werden soll.

Das bekannte Beleuchtungssystem stellt einen geschlossenen Regelkreis dar, da auf der Grundlage von elektrischen Signalen, die mit Hilfe eines Bildsensors für die Aufzeichnung und Anzeige eines Bildes des beobachteten Gegenstands erzeugt werden, auch ein Helligkeitssignal gewonnen wird. Die Drehstellung der Welle des Blendenmechanismus wird unter Berücksichtigung dieses Werts bestimmt und ein Stellmotor entsprechend so angesteuert, daß die gewünschte und einmal eingestellte Helligkeit des Bildes konstant gehalten wird.

Aus US-A-4,945,366 ist eine Endoskopkamera bekannt, bei der mit Hilfe eines Potentiometers die Öffnungsstellung einer Blende erfaßt wird, die das dem Lichtleiter des Endoskops zugeführte Licht mehr oder weniger ausblendet. Die Größe der Blendenöffnung wird entsprechend den gewünschten oder für eine Belichtung erforderlichen Vorgaben eingestellt und die korrekte Einstellung registriert und angezeigt.

Hinsichtlich der Einstellung der Lichtmenge werden bei Endoskopen besondere Anforderungen an die Genauigkeit und Stabilität gestellt. Der bauliche Aufwand der Beleuchtungsvorrichtung sollte hingegen gering gehalten werden, so daß stets ein Kompromiß eingegangen werden muß, der beide Zielsetzungen dem Anwendungsfall entsprechend zusammenführt. Während bei dem zuerst beschriebenen, bekannten System genaue und stabile Einstellungen erzielt werden, hält sich der apparative Aufwand bei dem zuletzt beschriebenen, bekannten System in Grenzen, wohingegen aber Einbußen bei der Genauigkeit und insbesondere der Temperaturstabilität in Kauf genommen werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsvorrichtung für Endoskope der eingangs geschilderten Art derart auszugestalten, daß eine zuverlässige Einstellung des Blendenmechanismus bei geringem apparativen Aufwand und unter Vermeidung von unerwünschten Temperaturinstabilitäten möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Aus DE-A-43 41 131 ist zwar ein optoelektronischer Absolut- Winkel-Kodierer bekannt, der zwei um 90° versetzte Sensoren und eine kreisförmige Scheibe, die exzentrisch an einer Welle befestigt ist. Jedoch sind die beiden Sensoren vorgesehen und erforderlich, um eine 360°-Auflösung zu erreichen, und erfassen die Drehstellung der Welle über die Abschattung des auf die Sensoroberflächen auftreffenden Lichts durch die Kreisscheibe. Ein Hinweis auf die Anwendung bei Endoskopen und insbesondere zur Vermeidung von Temperaturinstabilitäten ist nicht vorhanden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben, in denen zeigt:

Fig. 1 eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Endoskop zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine bei der in Fig. 1 gezeigten Beleuchtungsvorrichtung verwendete Abschirmplatte;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Aufbaus der gesamten Beleuchtungseinrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Abschirmplatte, die bei einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und

Fig. 5 das Blockschaltbild einer bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung verwendeten Verstärkerschaltung.

Gemäß Fig. 3 sendet eine Lichtquellenlampe 1 Licht zur Beleuchtung eines Gegenstandes aus. Die von der Lampe 1 ausgesandten Lichtstrahlen werden durch einen Konkavspiegel 2 gebündelt und mit Hilfe einer Sammellinse 3 auf die Einfallsendfläche 4a eines Lichtleitfaserhalters 4 fokussiert, der in der gleichen optischen Achse wie der Konkavspiegel 2 angeordnet ist.

Das Einfallsende des Lichtleitfaserhalters 4 ist beweglich an einer Steckhülse 5 befestigt, die an der Vorderseite der Lichtquelleneinrichtung angeordnet ist. Die durch die Einfallsendseite 4a eindringenden Lichtstrahlen werden vom Lichtleitfaserhalter 4 an ein Beleuchtungsfenster (nicht dargestellt) des Einführungsabschnittes des Endoskops geleitet und durch das Beleuchtungsfenster nach außen geworfen.

Eine den Blendenmechanismus bildende Blendenelement 10 ist zur Veränderung der Menge des einfallenden Lichtes am Lichtleitfaserhalter 4 vorgesehen. Zusätzlich auf Fig. 1 Bezug nehmend, besteht das Blendenelement 10 aus einem Paar dünner, parallel zueinander angeordneter Lichtabschirmplatten 11, 11 sowie einer Bodenplatte 12, deren Diagonale im wesentlichen der Breite des Strahlenganges 100 des für die Beleuchtung bestimmten Lichtes entspricht. Ein zwischen den Abschirmplatten 11, 11 befindlicher Raum dient als Lichtdurchgang 13, durch welchen Licht hindurchtritt.

Wie Fig. 3 zeigt, sperren die beiden Seiten 11 des Blendenelements das Beleuchtungslicht vollständig, wenn die Diagonale des Blendenelements 10 im wesentlichen senkrecht zum Strahlengang 100 des Beleuchtungslichtes verläuft. In dieser Stellung steht das Blendenelement 10 in seiner vollständig geschlossenen Stellung.

Wenn das Blendenelement 10 aus der vollständig geschlossenen Stellung um den Winkel R gedreht wird, derart, daß der Lichtdurchgang 13 parallel zum Strahlengang 100 verläuft, tritt Beleuchtungslicht durch den Lichtdurchgang 13. In dieser Stellung steht das Blendenelement 10 in seiner vollständig geöffneten Stellung.

Gemäß Fig. 1 trägt eine Welle 14 das Blendenelement 10 an deren unterem Ende. Das obere Ende der Welle 14 ist in der Mitte der Bodenplatte 12 des Blendenelements 10 befestigt, während das untere Ende mit einem Motor 21 der Steuereinrichtung 20 gekoppelt ist. Die Umdrehung des Motors 21 wird über die Welle 14 an das Blendenelement 10 übertragen.

Eine Treiberschaltung 22 für den Motor 21 steuert die Umdrehung des Motors entsprechend einem Steuersignal "a", das von einer Vergleichsschaltung 23 ausgegeben wird.

An der Vorderseite der Lichtquelleneinrichtung ist eine Betriebstafel 30 angebracht. Auf der Betriebstafel 30 befindet sich ein Schalter 31 zum Einstellen der Apertur des Blendenelements 10, wobei der Schalter über einen Verstärker 24 an den Eingang der Vergleichsschaltung 23 angeschlossen ist. Weiter ist ein Bildschirm 32 für die Sichtanzeige der Apertur des Blendenelements 10 vorgesehen.

Mit dem Aperturschalter 31 kann die gewünschte Apertur des Blendenelements 10 zwischen dem vollständig geöffneten Zustand und dem vollständig geschlossenen Zustand stufenweise eingestellt werden. Wenn eine Apertur durch den Aperturschalter 31 eingestellt ist, wird ein die eingestellte Apertur kennzeichnendes Signal "b" über den Verstärker 24 an die Vergleichsschaltung 23 angelegt.

Bei der zur Erläuterung des Prinzips beschriebenen Beleuchtungseinrichtung besteht die Sensoreinrichtung aus einem Apertursensor 40 und einer Abschirmplatte 41. Der Sensor 40 erfaßt die aktuelle Apertur des Blendenelements 10 durch Erfassen des Drehwinkels der Abschirmplatte 41, die senkrecht an der Welle 14 montiert ist. Der Sensor kann ein Transmissionssensor mit linearem Ausgangssignal sein.

Gemäß Fig. 2 ist die Abschirmplatte 41 fächerförmig ausgebildet, wobei der Zentrumswinkel R im wesentlichen dem Drehwinkel R des Blendenelements 10 entspricht. Der Radius der Abschirmplatte 41 nimmt von "r" bis "r-a" graduell ab, wobei er sich proportional zur Änderung des Winkels R relativ zum Seitenrand mit dem größten Radius ändert. Im einzelnen ist die Abschirmplatte 41 so gestaltet, daß der in der Nähe des Umfangsrandes liegende Bereich proportional zur Änderung des Winkels R abnimmt. Die Abschirmplatte 41 ist an der Welle 14 so befestigt, daß die längste Seitenkante mit dem Radius "r" im wesentlichen mit der Diagonalen der Bodenplatte 12 des Blendenelements 10 zusammenfällt, wie Fig. 3 zeigt.

Der Apertursensor 40 ist so angeordnet, daß er den Umfangsendabschnitt der Abschirmplatte 41 zwischen den beiden Schenkeln derselben aufnimmt. Der Sensor erzeugt ein Spannungssignal "c", das der Fläche des von einem Schenkel des Sensors zum anderen Schenkel entlang des Außenumfanges der Abschirmplatte 41 ausgesandten Lichtes entspricht. Die vom einen Schenkel zum anderen übertragene Lichtmenge verändert sich also graduell mit der Änderung der Winkelstellung der Abschirmplatte 41, so daß sich das vom Apertursensor 40 gelieferte Spannungssignal "c" linear mit der Drehung der Abschirmplatte 41 ändert.

Das Ausgangssignal des Apertursensors 40 wird über die Verstärkerschaltung 43 an die Vergleichsschaltung 23 angelegt und durch den Verstärker 43 in die Betriebstafel 30 eingegeben. Dann wird es vom Bildschirm 32 angezeigt. Da der Apertursensor 40 nicht im Motor 21 eingebaut ist, besteht keine Notwendigkeit für die Verwendung eines speziell konstruierten Motors mit Sensor; vielmehr kann ein Allzweckmotor verwendet werden.

Die Betriebsweise der wie beschrieben aufgebauten Lichtquelleneinrichtung ist folgende: Zuerst stellt der Bediener die gewünschte Apertur des Blendenelements 10 durch Betätigen des Apertureinstellschalters 31 auf der Betriebstafel 30 ein. Nach dem Einschalten wird ein die eingestellte Apertur darstellendes Signal "b" über den Verstärker 24 und die Vergleichsschaltung 23 an die Treiberschaltung 22 geliefert. Die Treiberschaltung 22 steuert die Umdrehung des Motors 21 entsprechend dem Signal "b" so, daß der Motor 21 das Blendenelement 10 um den gewünschten Winkel relativ zum Strahlengang 100 des Beleuchtungslichtes dreht.

Dabei dreht sich die Abschirmplatte 41 mit der Drehung des Blendenelements 10. Der Umfangsendabschnitt der Abschirmplatte 41 liegt zwischen den Schenkeln des Apertursensors 40. Die Fläche des zwischen den Schenkeln des Sensors eingefügten Umfangsendabschnittes hängt von der Winkelstellung des Blendenelements 10 relativ zum Strahlengang 100 ab.

Der Apertursensor 40 erfaßt den Winkel des Blendenelements 10 relativ zum Strahlengang 100 in Abhängigkeit von der Fläche des zwischen den Schenkeln des Detektors übertragenen Lichtes. Der Sensor liefert über die Verstärkerschaltung 43 ein den Winkel darstellendes Signal "c", das der wirklichen Apertur des Blendenelements 10 entspricht, an die Vergleichsschaltung 23.

Die Vergleichsschaltung 23 vergleicht das Signal "c" mit dem vom Apertureinstellschalter 31 gelieferten Signal "b". Wenn sich die durch das Signal "c" dargestellte aktuelle Apertur von der durch das Signal "b" eingestellten Apertur unterscheidet, gibt die Vergleichsschaltung 23 kontinuierlich ein Steuersignal "a" an die Treiberschaltung 22, die eine Drehung des Blendenelements 10 bis Erreichen der eingestellten Apertur auslöst.

Dementsprechend dreht die Treiberschaltung 22 über den Motor 21 das Blendenelement 10 solange weiter, bis die durch das Signal "c" dargestellte aktuelle Apertur der durch das Signal "b" eingestellten Apertur entspricht. Die aktuelle Apertur wird somit auf den Wert der eingestellten Apertur gebracht.

Das vom Apertursensor 40 ausgegebene Signal "c" wird auch an die Betriebstafel 30 geliefert, die ihrerseits die Winkelstellung des Blendenelements 10 oder die Apertur der Blende auf dem Schirm 32 anzeigt. Der Bediener kann also visuell die Winkelstellung des Blendenelements 10 ablesen.

Die Fig. 4 und 5 stellen schematische Diagramme zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung für Endoskope dar. Fig. 4 stellt eine Draufsicht auf die verwendete Abschirmplatte dar, während Fig. 5 das Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung wiedergibt.

Die Abschirmplatte 60 weist einen ersten und einen zweiten Abschnitt 60a und 60b auf, von denen jeder der in Fig. 1 dargestellten Abschirmplatte 41 ähnelt. Weiter umfassen die Apertursensoreinrichtung einen ersten und zweiten Sensor 61a bzw. 61b, von denen jeder die gleichen Eigenschaften wie der Apertursensor 40 besitzt.

Der erste und zweite Abschirmabschnitt 60a und 60b sind miteinander verbunden, so daß die längeren Seitenränder mit dem Radius "r" symmetrisch zur Mittellinie "m" angeordnet sind. Der erste und der zweite Sensor 61a und 61b ist so angeordnet, daß er jeweils in den bogenförmigen Zentren der ersten und zweiten Abschirmabschnitte 60a und 60b positioniert ist, wenn die Mittellinie "m" der Abschirmplatte 60 in der Mitte zwischen den Sensoren liegt, wie Fig. 4 zeigt.

Gemäß Fig. 5 kann ein Operationsverstärker 70 anstelle der Verstärkerschaltung 43 der Fig. 1 verwendet werden. Die "+" und "-" bzw. positiven und negativen Klemmen des Operationsverstärkers 70 sind jeweils an die Ausgangsklemmen des ersten und des zweiten Sensors 61a und 61b angeschlossen. Der Operationsverstärker 70 empfängt die Ausgangssignale "c1" und "c2" des ersten und zweiten Sensors 61a und 61b und erzeugt ein Signal "c", das die Differenz zwischen den Ausgangssignalen "c1" und "c2" darstellt. Da der Operationsverstärker 70 ein Signal "c" erzeugt, das die Differenz zwischen den Ausgangssignalen "c1" und "c2" darstellt, wenn die Abschirmplatte 60 in Richtung des Pfeiles A gedreht wird, nimmt die Fläche des Umfangsendabschnittes des ersten Abschirmabschnittes 60a in Bezug auf diejenige des ersten Sensors 61a ab, während die Fläche des Umfangsendabschnittes des zweiten Abschirmabschnittes 60b in Bezug auf diejenige des zweiten Sensors 61b zunimmt.

Bei einer derartigen Konstruktion werden die Ausgangssignale "c1" und "c2", welche die Winkelstellung der Abschirmplatte 41 als Spannung darstellen, jeweils vom ersten und zweiten Sensor 61a und 61b ausgegeben. Diese Signale werden an den Operationsverstärker 70 angelegt. Die Differenzspannung zwischen den Ausgangssignalen "c1" und "c2" wird vom Operationsverstärker 70 als Signal "c" ausgegeben und an die Vergleichsschaltung 23 angelegt.

Wenn sich also die Spannungen der Ausgangssignale "c1" und "c2" aufgrund der Temperatur ändern, ändern sich die Spannungen der Ausgangssignale "c1" und "c2" um den gleichen Betrag, da die Sensoren die gleichen Kenndaten besitzen. Somit bleibt die Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangssignalen "c1" und "c2" trotz der Temperaturänderung unverändert. Das Abdriften der Temperatur des ersten und des zweiten Sensors kann also zuverlässig ausgeglichen werden. Dementsprechend erzeugt der Operationsverstärker 70 das für die aktuelle Apertur des Blendenelements 10 kennzeichnende Signal "c" zur Übertragung an die Vergleichsschaltung 23, und zwar ohne nachteilige Einwirkung durch die Temperaturänderung.

Claims (7)

1. Beleuchtungsvorrichtung für Endoskope mit

• a) einer Lichtquelle (1), deren Licht entlang eines Strahlenganges (100) dem Ende (4a) eines Lichtleiters (4) zugeführt wird,
• b) einem Blendenmechanismus, der im Strahlengang (100) der Lichtquelle (1) angeordnet ist und der eine drehbare Welle (14) und ein Blendenelement (10) umfaßt, das an der Welle befestigt und zusammen mit der Welle im Strahlengang derart drehbar ist, daß die hindurchtretende Lichtmenge veränderbar ist, und
• c) einer Steuerungseinrichtung (20) zur Steuerung der Drehstellung der Welle (14) des Blendenmechanismus entsprechend einer über eine Einstelleinrichtung (31) vorgegebenen Lichtmenge, die dem Lichtleiter zuzuführen ist,

gekennzeichnet durch

• d) eine Sensoreinrichtung zur Erfassung des Drehwinkels des Blendenelements (10) mit
• d1) einer fächerförmigen Abschirmplatte (60),
• d11) die an der Welle (14) des Blendenmechanismus befestigt und gemeinsam mit der Welle (14) drehbar ist und
• d12) deren Umfangskante zwei Abschnitte (60a, 60b) aufweist, in denen sich der Abstand der Umfangskante von der Welle in Abhängigkeit von einem auf eine Symmetrielinie (m) bezogenen Winkel (R) ändert,
• d2) zwei Sensoren (61a, 61b),
• d21) die zwei Schenkel aufweisen, zwischen denen die Umfangskante der Abschirmplatte (60) angeordnet ist,
• d22) die jeweils entsprechend der von der Winkelstellung der Abschirmplatte (60) beeinflußten Menge des von einem zum anderen Schenkel ausgesandten Lichts ein Sensorsignal abgeben, das der Steuerungseinrichtung (20) zugeführt wird, und
• d23) die an der Umfangskante der Abschirmplatte (60) jeweils innerhalb eines der beiden Abschnitte (60a, 60b) derart angeordnet sind, daß jeder der Sensoren (61a, 61b) in der Mitte des jeweiligen Abschnittes (60a, 60b) liegt, wenn sich die Symmetrielinie (m) der Abschirmplatte (60) in der Mitte zwischen der beiden Sensoren befindet.

2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangskante der Abschirmplatte (60) bei der Symmetrielinie (m) den größten Abstand von der Welle (14) des Blendenmechanismus aufweist.

3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung (20) einen Operationsverstärker (70) aufweist, an den der erste und der zweite Sensor (61a, 61b) zur Erzeugung einer Differenz zwischen den Ausgangssignalen elektrisch angeschlossen sind.

4. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Blendenelement (10) U-förmig ist und ein Paar plattenförmiger Lichtabschirmelemente (11), die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Bodenplatte (12) aufweist, die die Lichtabschirmelemente miteinander verbindet.

5. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenkante der Abschirmplatte (60) parallel zur Diagonalen der Bodenplatte (12) angeordnet ist.

6. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung für die Vorgabe der dem Lichtleiter (4) zuzuführenden Lichtmenge ein Schalter (31) ist.