DE60018610T2 - Lichtquelle für boroskope und endoskope - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Boreskope und Endoskope, wobei es sich um bekannte optische Vorrichtungen zum Betrachten von Objekten an entfernten oder unzugänglichen Stellen handelt. Boreskope und Endoskope umfassen in der Regel Mittel zum Beleuchten des Lichtfeldes. Diese umfassen typischerweise ein Bündel optischer Fasern zum Übertragen von Licht von einer außerhalb der Vorrichtung angeordneten Lichtquelle durch die Vorrichtung und aus einer Beleuchtungsöffnung heraus. Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Mittel zum Vorsehen einer Beleuchtung des Sichtfeldes.
  • WO95/15060 offenbart ein Beleuchtungssystem für ein Endoskop, umfassend eine ringförmige Anordnung einzelner LEDs, jeweils in einer Reflektorschale. Die Anordnung kann am proximalen Ende des Endoskops angebracht sein, wobei sich die optischen Fasern entlang einer Hülle zum distalen Ende des Endoskops erstrecken.
  • Die vorliegende Erfindung sieht eine Vorrichtung zur Verwendung als Boreskop oder Endoskop zum Betrachten eines Objekts an einer entfernten oder unzugänglichen Stelle vor, umfassend ein Rohr mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, Mittel in dem Rohr um ein Bild eines Objekts zu erhalten und es zu einer Sichtvorrichtung zu übertragen, und Beleuchtungsmittel, welche eine Vielzahl optischer Fasern zum Übertragen von Licht durch das Rohr vom proximalen Ende zum distalen Ende umfassen, wobei die Fasern ringförmig angeordnet sind und am proximalen Ende des Rohrs eine ringförmige Endfläche präsentieren, wobei das Beleuchtungsmittel ferner eine ringförmige Anordnung von Licht emittierende Dioden (LEDs) umfasst, welche an einem Substrat angebracht sind und von einem üblichen Schutzschild aus optisch klarem Material umgeben sind und am proximalen Ende des Rohrs gegenüber der ringförmigen Endfläche der Fasern positioniert sind, und ein ringförmiger Lichtleiter ist zwischen der ringförmigen Anordnung und der ringförmigen Endfläche zum Übertragen von Licht von der Anordnung zu den optischen Fasern positioniert.
  • Auf diese Weise ist eine externe Lichtquelle und ein üblicher Lichtleiter zum Übertragen ihres Lichts zu einem Bündel optischer Fasern in dem Rohr nicht erforderlich. Dies verringert den Lichtverlust deutlich und sorgt dafür, dass mehr Licht von der Lichtquelle verfügbar ist, um das Sichtfeld zu beleuchten.
  • Der Schutzschild kann derart gestaltet sein, dass er eine Linse bildet, um von den LEDs erzeugtes Licht zu fokussieren.
  • Alternativ kann eine separate Linse vor der Anordnung positioniert sein, um von den Licht emittierenden Dioden erzeugtes Licht zu fokussieren.
  • Das distale Ende des Lichtleiters kann derart gestaltet sein, dass es eine Linse bildet, um Licht auf die Endfläche der Fasern zu fokussieren.
  • Alternativ kann eine separate Linse zwischen dem Lichtleiter und der Endfläche der optischen Fasern positioniert sein.
  • Kühlmittel können vorgesehen sein, um von der Anordnung der LEDs erzeugte Wärme abzuleiten.
  • Die LEDs können weißes Licht emittieren. Alternativ können sie blaues Licht emittieren, in welchem Fall der Schutzschild vorzugsweise weißen oder gelben Phosphor umfasst, wodurch die Anordnung als Ganzes weißes Licht vorsieht.
  • Alternativ kann die Anordnung eine Vielzahl verschiedenfarbiger LEDs umfassen, welche in Folge betreibbar sind, um weißes Licht zu erzeugen.
  • Insbesondere kann die Anordnung eine Mischung von LEDs umfassen, welche betreibbar sind, um rotes, grünes oder blaues Licht zu erzeugen und Mittel, um die LEDs derart zu betreiben, dass Licht vorgesehen wird, welches sequentiell zwischen rot, grün und blau alterniert.
  • Bei weiteren alternativen Ausführungsformen können die LEDs infrarotes Licht oder ultraviolettes Licht erzeugen.
  • Vorzugsweise umfasst die Anordnung wenigstens fünfzig LEDs und noch bevorzugter wenigstens achtzig LEDs.
  • Ist die Anordnung am proximalen Ende des Rohrs vorgesehen, kann sie in einem Bausatz integriert sein, welcher von dem Rohr lösbar ist.
  • Die Erfindung wird jetzt ausschließlich beispielhaft mit Bezug zu den beiliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben, in denen die 7-9 Ausführungsformen der Erfindung zeigen und die 1-6, 10 und 11 aus Gründen der Erläuterung beigefügt sind.
  • 1 zeigt im Querschnitt einen Teil einer Anordnung von LEDs;
  • 2 zeigt eine zweite Ansicht und eine Endansicht einer ersten Anordnung am distalen Ende eines Boreskops oder Endoskops;
  • 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten Anordnung am distalen Ende;
  • 4 zeigt eine Seitenansicht und eine Endansicht einer dritten Anordnung am distalen Ende;
  • 5 zeigt eine Seitenansicht und eine Endansicht einer vierten Anordnung am distalen Ende;
  • 6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer fünften Anordnung am proximalen Ende des Boreskops oder Endoskops;
  • 7 zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit der Anordnung am proximalen Ende;
  • 8 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit der Anordnung am proximalen Ende;
  • 9 zeigt eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit der Anordnung am proximalen Ende;
  • 10 zeigt eine Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform der Erfindung mit der Anordnung am proximalen Ende;
  • 11 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Anordnung am proximalen Ende.
  • Ein typisches Boreskop oder Endoskop umfasst ein Rohr, welches starr oder flexibel sein kann und ein distales Ende umfasst, welches bei der Verwendung beispielsweise in eine Maschine oder einen menschlichen Körper eingeführt wird. Eine Sichtöffnung ist am distalen Ende des Rohrs vorgesehen, durch welche ein Objekt gesehen werden kann. Ein optischer Zug kann in dem Rohr vorgesehen sein, um ein Bild des Objekts von dem distalen Ende zu dem proximalen Ende zu übertragen. Eine Okular-Anordnung am proximalen Ende fokussiert das Bild auf das Auge eines Betrachters oder auf einen Kameraanhang zur Darstellung auf einem Bildschirm. Alternativ kann eine Bild-zu-Video-Konvertierungsvorrichtung, wie beispielsweise ein CCD-Chip, am distalen Ende des Rohrs vorgesehen sein, wobei eine geeignete Verkabelung von dem Chip entlang des Rohrs verläuft.
  • Um eine Betrachtung des Objekts zu ermöglichen, ist es in der Regel erforderlich, irgendeine Form der Beleuchtung vorzusehen. Typischerweise besteht diese aus einem Bündel optischer Fasern, welche durch das Rohr zu einer Beleuchtungsöffnung verlaufen, die neben der Sichtöffnung liegt.
  • Bei konventionellen Boreskopen oder Endoskopen läuft das Bündel optischer Fasern an einer Seite des Einführrohrs hinunter, wobei sich ein optischer Zug an der anderen Seite des Rohrs hinunter erstreckt, wobei beide zu der Längsachse des Rohrs exzentrisch sind. Eine externe Lichtquelle ist mit dem Bündel optischer Fasern mittels eines Lichtleiters verbunden. Bei konventionellen, kreisförmigen Abtastsichtgeräten, bei denen das Einführrohr um seine Längsachse drehbar ist, kann diese Anordnung zu einer Fehlausrichtung des Lichtleiters mit dem optischen Bündel während der Drehung führen.
  • Die externe Lichtquelle ist typischerweise eine herkömmliche Glühbirne mit hoher Wattleistung, welche sehr helles Licht erzeugt, und ein Lichtleiter zum Übertragen dieses Lichts in das Sichtinstrument und zu den optischen Fasern. Da die Glühbirne mit den optischen Fasern mittels eines üblichen Lichtleiter verbunden ist, kann es zu Lichtverlusten von bis zu 70 % kommen, welche die am distalen Ende des Sichtinstruments verfügbarer Beleuchtung deutlich verringern.
  • Die vorliegende Erfindung verwendet eine alternative Lichtquelle in dem Boreskop oder Endoskop, um die Notwendigkeit einer externen Lichtquelle und eines Lichtleiters zu vermeiden. Insbesondere verwendet die vorliegende Erfindung eine enge Anordnung von Licht emittierenden Dioden (LEDs) als Lichtquelle.
  • Üblicherweise versteht man unter einer LED einen kleinen Silicon-Chip mit Metallverbindungen, welcher in einer klaren Epoxy-Substanz eingekapselt ist, um eine Linse vorzusehen. Bei der vorliegenden Erfindung wird, wie in 1 gezeigt, einen zerlegte Version einer LED verwendet, um die Dichte der LEDs, welche an einem Substrat angebracht werden können, zu vergrößern. Dies ist im Wesentlichen der LED-Chip 10 ohne die Epoxy-Einkapselung. Diese LED-Chips 10 sind mittels eines thermal und elektrisch leitenden Klebers 14, welcher als eine der Verbindungen für den LED-Chip 10 dient, an einem keramischen Substrat 12 befestigt. Ein Goldverbindungsdraht 16 ist oben an jedem LED-Chip 10 befestigt und mit Goldleiterbahnen (nicht gezeigt) mit dem Substrat 12 verbunden, um die andere Verbindung für den LED-Chip 10 vorzusehen.
  • Eine Schutzschicht 18 aus optisch klarem Kleber, wie beispielsweise Epoxy, ist dann vorgesehen, um alle an demselben Substrat angebrachten LED-Chips 10 zu bedecken.
  • In 2 ist eine Anordnung 20 von LED-Chips 10 an dem distalen Ende des eingeführt Rohrs 22 eines Boreskops oder Endoskops 24 benachbart zu der Sichtöffnung 26 vorgesehen. Bei diesem Beispiel ist das Sichtinstrument 24 ein seitliches Sichtinstrument, bei welchem das Sichtfeld zur Seite ausgerichtet ist und die LED-Anordnung 20 daher auch angeordnet ist, um Licht zur Seite zu richten. Es wird jedoch deutlich, dass die Anordnung 20, obwohl sie in einer Position distal der Sichtöffnung 26 gezeigt ist, auch proximal positioniert sein könnte.
  • Um von der Anordnung 20 erzeugte Wärme abzuleiten, kann ein Kühlkörper und Kühlmittel, wie beispielsweise Lamellen (nicht gezeigt) an dem Substrat 12 der Anordnung 20 und/oder einem Teil 28 des eingeführten Rohrs 22 vorgesehen sein, an welchem der Substrat 12 selbst angebracht ist.
  • Bei einer zweiten, in 3 gezeigten Anordnung, ist ein Sichtinstrument 24 zum Vorwärtssehen vorgesehen, wobei eine Sichtöffnung 26 ein Sichtfeld in Richtung der Längsachse des Einführrohrs 22 vorsieht. In diesem Fall kann die LED-Anordnung 20 geeigneterweise in ringförmiger Form vorliegen und die Sichtöffnung 26 umgeben.
  • Es kann wünschenswert sein, das von der Anordnung 20 erzeugte Licht zu fokussieren. Die Fokussierung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Wie in 4 gezeigt, kann die Schutzschicht aus optisch klarem Kleber 18, welche die LED-Chips 10 bedeckt, derart gestaltet sein, dass sie als Linse 30 wirkt.
  • Alternativ kann, wie in 5 gezeigt, eine separate Linse 32 vor der Anordnung 20 vorgesehen sein. Obgleich diese Fokussierungsmethoden nicht dargestellt sind, können sie in der in 3 gezeigten, vorwärts schauenden Anordnung integriert sein.
  • In manchen Fällen kann es vorgezogen werden, die Anordnung 20 nicht am distalen Ende des Sichtinstruments 24, sondern am proximalen Ende zu platzieren. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist in 6 gezeigt, welche das proximale Ende des Sichtinstruments 24 zeigt. Bei dieser Anordnung überträgt ein optischer Zug 34, beispielsweise eine Reihe von Linsen, ein Bild vom distalen Ende (nicht gezeigt) des Sichtinstruments 24 zu dem proximalen Ende und auf, in diesem Fall, einen Kameraanhang 36 (oder eine Okular-Anordnung zum direkten Sehen).
  • Um das Sichtfeld zu beleuchten, ist ein Bündel optischer Fasern 40 in ringförmiger Form vorgesehen, welches sich entlang des Sichtinstruments 24 erstreckt und den optischen Zug 34 konzentrisch umgibt. So präsentieren die Fasern eine ringförmige Endfläche 38 am proximalen Ende des Sichtinstruments 24. Um eine Beleuchtung vorzusehen, ist eine ringförmige LED-Anordnung neben der Endfläche 38 vorgesehen. Wie gezeigt, ist das Substrat 12 der Anordnung 20 auch ringförmig, um zu ermöglichen, dass der Kameraanhang 36 oder die Okular-Komponenten etc. in Ausrichtung mit dem optischen Zug 34 positioniert werden können.
  • Bei der vorliegenden Erfindung ist, wie in 7 gezeigt, ein ringförmiger Lichtleiter 42 zwischen der Anordnung 20 und der Endfläche 38 vorgesehen, um von der Anordnung 20 erzeugtes Licht zu erfassen und es zu den Fasern 40 zu übertragen. 7 (und die 8-11) zeigen eine Seite des proximalen Endes des Sichtinstruments, wobei die andere Seite entspricht, um zu der Längsachse X-X des Rohrs 22 symmetrisch zu sein. Ein Lichtleiter 42 umfasst im Allgemeinen ein hohles Rohr aus einem Material von optischer Qualität, wie beispielsweise Kunststoff oder Glas, welches Licht mit sehr geringen Verlusten durch die totale interne Reflektion überträgt.
  • Das distale Ende des Lichtleiters 42 kann, wie in 8 zu sehen, geformt sein, um eine Linse 44 zu bilden, um das Licht auf die Endfläche 38 der Fasern zu fokussieren. Alternativ kann, wie in 9 gezeigt, eine separate Fokussierungsringlinse 32 zwischen dem Lichtleiter 42 und der Endfläche 38 vorgesehen sein.
  • Als weitere Alternative kann der Lichtleiter 42 vollständig entfallen, und eine separate Ringslinse 32 kann, wie in 10 zu sehen ist, allein zwischen der Anordnung 20 und der Endfläche 38 vorgesehen sein.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Schutzschicht 18 der Anordnung 20 derart gestaltet ist, dass sie, wie in 11 gezeigt, eine Fokussierungslinse 30 bildet.
  • In den Anordnungen der 6-11 sind die LED-Chips 10 typischerweise in einem einzelnen Kreis angeordnet, wobei der Durchmesser eines Kreises im Bereich 15 mm durch die Mitte der Chips verläuft. Die Anordnung umfasst vorzugsweise wenigstens 50 und noch stärker bevorzugt zwischen 80 und 90 LEDs. Jeder LED-Chip 10 liegt typischerweise im Bereich von 0,3 mm2.
  • Die bei der Anordnung 20 verwendeten LED-Chips 10 können jene sein, welche weißes Licht von dem Halbleiter selbst emittieren. Alternativ können LED-Chips 10 verwendet werden, welche blaues Licht erzeugen, in welchem Fall weißer oder gelber Phosphor in dem Schutzschild 18 mit dem Ergebnis integriert ist, dass das weiße Licht an der gesamte Anordnung 20 emittiert wird.
  • Es ist auch möglich, eine Mischung aus roten, grünen und blauen LEDs an demselben Substrat 12 zu verwenden, welche in Kombination wirken können, um von der Anordnung 20 insgesamt weißes Licht vorzusehen. Die Verwendung von roten, grünen und blauen LEDs bietet auch die Möglichkeit, das Licht gepulst zu erzeugen. Bei einigen herkömmlichen Endoskopsystemen ist die Verwendung einer weißen Lichtquelle mit einem rotierenden Filterrad bekannt, welches rote, grüne und blaue Filter trägt, die zwischen der Lichtquelle und den optischen Fasern positioniert sind. Das Ergebnis ist, dass das vom Ende des Sichtinstruments über das Sichtfeld übertragene Licht zwischen rot, grün und blau alterniert. Eine monochrome Kamera wird dann verwendet, um ein Bild des Sichtfelds zu erfassen und ein spezieller Prozessor konvertiert das von der Kamera gelieferte Bild in Farbe. Diese bekannte Anordnung liefert Bilder sehr hoher Auflösung und guter Farbe, erfordert jedoch ausreichend Raum, um das Filterrad und den Motor sowie einen komplizierten Synchronisationskreislauf aufzunehmen. Sie ist daher relativ teuer.
  • Bei der vorliegenden Erfindung können das Filterrad, der Antriebsmotor und der Synchronisationskreislauf vermieden werden, indem rote, grüne und blaue LEDs verwendet werden, welche gepulst sind, das heißt sequentiell, typischerweise bei rund 50 Hz, mittels eines spezialisierten Energieversorgungssystems betrieben werden. Wie zuvor sieht dieses alternierend rotes, grünes und blaues Licht am distalen Ende des Sichtinstruments vor und eine monochrome Kamera und ein geeigneter Prozessor können verwendet werden, um vollfarbige Bilder vorzusehen. Diese Anordnung ist billiger und kompakter als der Stand der Technik und erzeugt in der Regel bessere Farben und eine bessere Auflösung als ein System, welches weißes Licht und eine Farbbilderzeugungsvorrichtung verwendet.
  • Andere LED-Typen könnten auch verwendet werden. Beispielsweise könnten LED-Chips 10 welche infrarotes Licht erzeugen, verwendet werden, um eine Art Wärmebild mit geeigneter, spezialisierter Bildausrüstung zu bilden.
  • Alternativ könnten LED-Chips 10, welche ultraviolettes Licht erzeugen, verwendet werden, um die Verwendung des Boreskops oder Endoskops bei Farbeindringungsprüfungen und magnetischen Partikeltests zu ermöglichen.
  • Bei jenen Ausführungsformen, in denen die Anordnung 20 am proximalen Ende des Sichtinstruments vorgesehen ist, können die Anordnung und die Fokussierungslinsen oder der Lichtleiter etc. als integrierter Teil des Sichtinstruments 24 eingeschlossen sein. Alternativ können Sie als Komponenten in einem separaten Modul vorgesehen sein, welches von dem Sichtinstrument 24, falls erforderlich, lösbar ist.
  • Fachleute werden erkennen, dass die vorliegende Erfindung eine verbesserte Anordnung zum Vorsehen einer Beleuchtung über ein Boreskop oder Endoskop vorsieht, welche Lichtverluste verringert, sehr kompakt ist und keine Auswirkungen auf die Positionierung der anderen Komponenten in dem Sichtinstrument hat. Es wird deutlich, dass eine Reihe von Variationen und Modifikationen an den speziellen, beschriebenen Ausführungsformen möglich sind, ohne vom Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (15)

  1. Vorrichtung zur Verwendung als Boreskop oder Endoskop (24) zum Betrachten eines Objekts an einer entfernten oder unzugänglichen Stelle, umfassend ein Rohr (22) mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, Mittel in dem Rohr (22), um ein Bild eines Objekts zu erhalten und es zu einer Sichtvorrichtung zu übertragen, und Beleuchtungsmittel, welche eine Vielzahl optischer Fasern (40) zum Übertragen von Licht durch das Rohr (22) vom proximalen Ende zum distalen Ende umfassen, wobei die Fasern (40) ringförmig angeordnet sind und am proximalen Ende des Rohrs (22) eine ringförmige Endfläche (38) präsentieren, wobei das Beleuchtungsmittel ferner eine ringförmige Anordnung (20) von Licht emittierenden Dioden (LEDs) (10) umfasst, welche an einem Träger (12) angebracht sind, von einem üblichen Schutzschild (18) aus optisch klarem Material umgeben sind und am proximalen Ende des Rohrs (22) gegenüber der ringförmigen Endfläche (38) der Fasern positioniert sind, und wobei ein ringförmiger Lichtleiter (42) zwischen der ringförmigen Anordnung (20) und der ringförmigen Endfläche (38) zum Übertragen von Licht von der Anordnung (20) zu den optischen Fasern (40) positioniert ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schutzschild (18) zum Bilden einer Linse (30) gestaltet ist, um von den LEDs (10) erzeugtes Licht zu fokussieren.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei eine Linse (32) vor der Anordnung (20) positioniert ist, um von den LEDs (10) erzeugtes Licht zu fokussieren.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das proximate Ende des Lichtleiters (42) zum Bilden einer Linse (44) gestaltet ist, um Licht auf die Endfläche (38) der Fasern (40) zu fokussieren.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine separate Linse (32) zwischen dem. Lichtleiter (42) und der Endfläche (38) der Fasern (40) positioniert ist, um Licht auf die Endfläche (38) zu fokussieren.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche ferner Kühlmittel umfasst, um von der Anordnung (20) erzeugte Wärme abzuführen.
  7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die LEDs (10) weißes Licht emittieren.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die LEDs (10) blaues Licht emittieren und der Schutzschild (18) weißen oder gelben Phosphor umfasst, wodurch die Anordnung (20) weißes Licht erzeugt.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die Anordnung (30) LEDs (10) umfasst, welche verschiedene Farben emittieren und in Kombination zum Erzeugen weißen Lichts betreibbar sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Anordnung (20) LEDs (10) umfasst, welche betreibbar sind, um rotes, grünes und blaues Licht zu erzeugen, und Mittel zum sequenziellen Betreiben der LEDs (10) zum Vorsehen von Licht, welches sequenziell zwischen rot, grün und blau alterniert.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die LEDs (10) infrarotes Licht erzeugen.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die LEDs (10) ultraviolettes Licht erzeugen.
  13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anordnung (20) wenigstens 50 LEDs (10) umfasst.
  14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anordnung (20) wenigstens 80 LEDs (10) umfasst.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung (20) in einem Bauteil integriert ist, welches von dem Rohr (22) lösbar ist.
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