DE9202590U1 - Fiber optic lighting device - Google Patents

Fiber optic lighting device

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DE9202590U1 DE9202590U DE9202590U DE9202590U1 DE 9202590 U1 DE9202590 U1 DE 9202590U1 DE 9202590 U DE9202590 U DE 9202590U DE 9202590 U DE9202590 U DE 9202590U DE 9202590 U1 DE9202590 U1 DE 9202590U1
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Beschreibung: " ^ 92009 GDescription: " ^ 92009 G

Lichtleiter-BeleuchtungseinrichtungLight guide lighting device

Die Erfindung betrifft eine Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a light guide lighting device according to the preamble of claim 1.

Zur Ausleuchtung von Operations- und Untersuchungsfeldern werden vielfach Kaltlichtspiegellampen mit beispielsweise ellipsoidförmigem Reflektor in Verbindung mit Lichtleitern eingesetzt. Dazu wird einkoppelseitig die Lichtleiter-Eintrittsfläche im Fokus der Kaltlichtspiegellampe bzw. dem verwendeten Reflektorsystem angeordnet. Eine derartige Anordnung hat nun den gravierenden Nachteil, daß durch den vorstehenden Lampenkolben in der Mitte des Ellipsoid-Reflektors ein Teil des Lichtes, das in Richtung Brennpunkt fokussiert wird, abgeschattet wird. Die Intensitätsverteilung in der Lichtleitereintrittsflache ist demzufolge inhomogen und weist einen sogenannten "Mitteneinbruch" auf. Ein derartiger "Mitteneinbruch" resultiert dann natürlich auch auskoppelseitig. Die Ausleuchtung eines Operations- oder Untersuchungsfeldes weist dementsprechend eine derartige inhomogene Intensitätsverteilung auf.Cold mirror lamps with, for example, an ellipsoidal reflector in conjunction with light guides are often used to illuminate operating and examination fields. To do this, the light guide entry surface is arranged on the input side in the focus of the cold mirror lamp or the reflector system used. Such an arrangement has the serious disadvantage that part of the light that is focused towards the focal point is shaded by the protruding lamp bulb in the middle of the ellipsoidal reflector. The intensity distribution in the light guide entry surface is therefore inhomogeneous and has a so-called "central dip". Such a "central dip" then naturally also results on the output side. The illumination of an operating or examination field accordingly has such an inhomogeneous intensity distribution.

Zur Lösung dieser Problematik ist beispielsweise aus dem DE-GM 79 06 381 bekannt, eine Konkav-Linse zwischen dem Lichtleiter bzw. der Lichtleiter-Eintrittsfläche und einer Ellipsoid-Spiegellampe koaxial anzuordnen. In die Konkavlinse ist eine weitere Konkavlinse eingeschliffen, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser des verwendeten Lichtleiters ist. Bei dieser Vorrichtung wird zwar eine Homogenisierung der Intensität in der Ebene der Lichtleitereintrittsflache erreicht, indem über die eingeschliffene Konkavlinse auch Strahlen in die Mitte der Lichtleitereintrittsflache abgelenkt werden. Jedoch ist diese Art der Lichteinkopplung nicht dazu geeignet, das durch den Lichtleiter transportierte Licht z.B. über eine Köhler'sehe Beleuchtungseinrichtung an einTo solve this problem, it is known, for example from DE-GM 79 06 381, to arrange a concave lens coaxially between the light guide or the light guide entrance surface and an ellipsoid mirror lamp. Another concave lens is ground into the concave lens, the diameter of which is smaller than the diameter of the light guide used. This device achieves a homogenization of the intensity in the plane of the light guide entrance surface by also deflecting rays into the center of the light guide entrance surface via the ground concave lens. However, this type of light coupling is not suitable for directing the light transported through the light guide, e.g. via a Köhler lighting device, to a

Operationsmikroskop zur koaxialen Ausl'eu'chtung des Untersuchungsfeldes anzupassen, da die Beleuchtungsapertur im Bereich der Konkavlinsen auf Null reduziert wird.Surgical microscope for coaxial illumination of the examination field as the illumination aperture is reduced to zero in the area of the concave lenses.

Eine ähnliche Aufgabenstellung, d.h. die homogene Ausleuchtung einer Lichtleitereintrittsfläche ist aus der deutschen Auslegeschrift DE-AS 19 18 612 der Anmelderin bekannt. Dort wird zwischen Lichtquelle und Lichtleiter-Eintrittsfläche ein optisches System derart angeordnet, daß die Lichtleiter-Eintrittsfläche in der Bildebene eines optischen Systemes angeordnet ist, in die das Lichtquellenbild abgebildet wird, das wiederum von einer weiteren Optik erzeugt wird. Durch diese Anordnung wird gewährleistet, daß die ungleichmäßige Wendelstruktur der Lichtquelle sich nicht nachteilig auf die Intensität in der Lichtleiter-Eintrittsfläche auswirkt. Zur homogenen Ausleuchtung der Lichtleitereintrittsfläche bei Verwendung einer Kaltlicht-Spiegellampe mit ellipsoidförmigem Reflektor ist eine derartige Anordnung jedoch nicht geeignet.A similar task, i.e. the homogeneous illumination of a light guide entry surface, is known from the applicant's German publication DE-AS 19 18 612. There, an optical system is arranged between the light source and the light guide entry surface in such a way that the light guide entry surface is arranged in the image plane of an optical system in which the light source image is projected, which in turn is generated by another optical system. This arrangement ensures that the uneven spiral structure of the light source does not have a detrimental effect on the intensity in the light guide entry surface. However, such an arrangement is not suitable for the homogeneous illumination of the light guide entry surface when using a cold light mirror lamp with an ellipsoidal reflector.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung zu schaffen, die die Einkopplung der Strahlung einer Lichtquelle mit Reflektor-Anordnung in einen Lichtleiter erlaubt, ohne einen inhomogenen Intensitätsverlauf in der Lichtleiter-Eintrittsfläche hinnehmen zu müssen und gleichzeitig eine möglichst hohe konstante Gesamtintensität über die Lichtleiter-Eintrittsfläche gewährleistet ist. Daneben sollte eine Anpassung der verwendeten Lichtquelle inklusive Reflektoranordnung an die Apertur des jeweiligen Lichtleiters möglich sein.It is therefore the object of the present invention to create a light guide lighting device that allows the coupling of the radiation from a light source with a reflector arrangement into a light guide without having to accept an inhomogeneous intensity profile in the light guide entry surface and at the same time ensures the highest possible constant total intensity across the light guide entry surface. In addition, it should be possible to adapt the light source used, including the reflector arrangement, to the aperture of the respective light guide.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der folgenden Unteransprüche .This object is achieved by a light guide lighting device with the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the following subclaims .

Zur erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe wird zwischen der Lichtquelle inklusive Reflektoranordnung und der Lichtleiter-To achieve this object according to the invention, between the light source including reflector arrangement and the light guide

eintrittstlache koaxial ein optisches System, bestehend aus jnindestens zwei einzelnen Linsensystemen, angeordnet. Dabei bildet das der Lichtguelle zugewandte erste Linsensystem den von der Lichtquelle und Reflektoranordnung erzeugten Lichtfleck nach unendlich ab, während das zweite Linsensystem ein reelles Zwischenbild dieses Lichtfleckes in der Ebene der
Lichtleiter-Eintrittsfläche erzeugt. Gleichzeitig wird das
Bild des vorstehenden Lampenkolbens durch das erste Linsensystem verkleinert in bzw. in die Nähe der Hauptebene des
zweiten Linsensystemes abgebildet. Insgesamt resultiert eine homogene Intensitätsverteilung in der Ebene der Lichtleiter-Eintrittsfläche, weshalb auch auskoppelseitig eine homogene Intensitätsverteilung zur Verfügung steht. Zudem ist ein
hoher Gesamtwirkungsgrad im Hinblick auf die Ausnutzung der kompletten Strahlungsleistung gewährleistet.An optical system consisting of at least two individual lens systems is arranged coaxially on the entrance surface. The first lens system facing the light source images the light spot generated by the light source and reflector arrangement to infinity, while the second lens system forms a real intermediate image of this light spot in the plane of the
light guide entrance surface. At the same time, the
Image of the protruding lamp bulb reduced by the first lens system in or near the main plane of the
second lens system. Overall, a homogeneous intensity distribution results in the plane of the light guide entrance surface, which is why a homogeneous intensity distribution is also available on the output side. In addition, a
high overall efficiency with regard to the utilization of the complete radiation power is guaranteed.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform beschreibt Unteranspruch 3. So ist es durch die entsprechende Auslegung der Brennweite des zweiten Linsensystems möglich, eine Anpassung an die jeweilige Apertur des verwendeten Lichtleiters zu erreichen.A particularly advantageous embodiment is described in subclaim 3. Thus, by appropriately designing the focal length of the second lens system, it is possible to achieve an adaptation to the respective aperture of the light guide used.

Geeignete Linsen bzw. Linsensysteme sind Gegenstand der Unteransprüche 2 und 3, eine bevorzugte Lichtquelle mit Reflektoranordnung ist Gegenstand des Unteranspruches 4. Eine komplette Vorrichtung wird anhand des Datensatzes im Unteranspruch 5 charakterisiert.Suitable lenses or lens systems are the subject of subclaims 2 and 3, a preferred light source with reflector arrangement is the subject of subclaim 4. A complete device is characterized on the basis of the data set in subclaim 5.

Verwendung findet die erfindungsgemäße Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung als koaxiale Beleuchtungseinrichtung eines Operationsmikroskopes, als Beleuchtungseinrichtung einer
Spaltlampe oder eines Endoskopes sowie als intraokulare Beleuchtungseinrichtung, wo jeweils die homogene Ausleuchtung eines Untersuchungsfeldes gefordert ist und die Lichtquelle nicht in der unmittelbaren Umgebung des Untersuchungsfeldes angeordnet werden kann. Derartige bevorzugte Verwendungsmöglichkeiten sind Gegenstand dar Unteransprüche 7-9.The light guide illumination device according to the invention is used as a coaxial illumination device of a surgical microscope, as an illumination device of a
Slit lamp or an endoscope and as an intraocular lighting device, where homogeneous illumination of an examination field is required and the light source cannot be arranged in the immediate vicinity of the examination field. Such preferred uses are the subject of subclaims 7-9.

Weitere Vorteile, sowie.Einzelheiten der erfindungsgemäßen Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung ergeben sich aus der Beschreibung der Figuren 1-3.Further advantages and details of the optical fiber lighting device according to the invention emerge from the description of Figures 1-3.

Dabei zeigtThis shows

Fig. 1 den Beleuchtungsstrahlengang in der erfindungsgemäßen Vorrichtung;Fig. 1 shows the illumination beam path in the device according to the invention;

Fig. 2 den Lampenkolben-Abbildungsstrahlengang innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung;Fig. 2 shows the lamp bulb imaging beam path within the device according to the invention;

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den dazugehörigen Bezeichnungen der Linsenradien, Linsendicken und Linsenabstände.Fig. 3 shows a section through an embodiment of the device according to the invention with the corresponding designations of the lens radii, lens thicknesses and lens spacings.

Anhand der Figuren 1 und 2 wird im folgenden das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. In Figur 1 wird zunächst der Beleuchtungsstrahlengang in der Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung dargestellt. Als Lichtquelle inklusive Reflektor-Anordnung dient hierbei eine Kaltlichtspiegellampe, bestehend aus dem Lampenkolben (2) und einem ellipsoidförmigen Reflektor (1). Davor sind koaxial zwei optische Systeme (3, 4) sowie ein Lichtleiter (5) angeordnet. Dabei bestehen in diesem Ausführungsbeispiel die beiden verwendeten optischen Systeme (3, 4) aus je einer Sammellinse. Ebenfalls dargestellt ist in Fig. 1 der Schattenbereich (6) innerhalb des Beleuchtungsstrahlenganges, der durch den vorstehenden Lampenkolben (2) verursacht wird und den bereits erwähnten "Mitteneinbruch" in der Intensitätsverteilung zur Folge hat. Der ellipsoidförmige Reflektor (1) fokussiert die Strahlung des Lampenkolbens (2) in eine erste Brennebene (7). Der dort erzeugte Lichtfleck wird von einer ersten Sammellinse (3) nach unendlich abgebildet. Eine zweiteThe functional principle of the light guide lighting device according to the invention is described below using an exemplary embodiment based on Figures 1 and 2. Figure 1 first shows the illumination beam path in the light guide lighting device. A cold light mirror lamp, consisting of the lamp bulb (2) and an ellipsoidal reflector (1), serves as the light source including the reflector arrangement. Two optical systems (3, 4) and a light guide (5) are arranged coaxially in front of this. In this exemplary embodiment, the two optical systems (3, 4) used each consist of a converging lens. Also shown in Figure 1 is the shadow area (6) within the illumination beam path, which is caused by the protruding lamp bulb (2) and results in the aforementioned "central dip" in the intensity distribution. The ellipsoidal reflector (1) focuses the radiation from the lamp bulb (2) into a first focal plane (7). The light spot created there is imaged to infinity by a first convex lens (3). A second

Sammellinse (4) erzeugt in erfi'er zweiten0Brennebene (8) wieder ein reelles Bild des Lichtfleckes, wobei die. Brennebene (8) der zweiten Sammellinse (4) mit der Eintrittsfläche (8) des verwendeten Lichtleiters (5) zusammenfällt. Die zweite Sammellinse (4) wird derart in einer Relativentfernung zur ersten Sammellinse angeordnet, daß das durch die erste Sammellinse (3) erzeugte Bild des Lampenkolbens (2) in der Hauptebene (9) oder in der Nähe der Hauptebene (9) der zweiten Sammellinse (4) liegt. Dies wird anhand des Lampenkolben-Abbildungsstrahlenganges in Fig. 2 veranschaulicht. Ist zudem die Brennweite der ersten Sammellinse (3) so gewählt, daß der Lampenkolben (2) dabei stark verkleinert abgebildet wird, so resultiert insgesamt eine homogene Intensitätsverteilung in der bildseitigen Brennebene (8) der zweiten Sammellinse (4), die mit der Lichtleiter-Eintrittsfläche (8) zusammenfällt.Converging lens (4) again produces a real image of the light spot in the second focal plane (8), the focal plane (8) of the second converging lens (4) coinciding with the entrance surface (8) of the light guide (5) used. The second converging lens (4) is arranged at a relative distance to the first converging lens such that the image of the lamp bulb (2) produced by the first converging lens (3) lies in the main plane (9) or near the main plane (9) of the second converging lens (4). This is illustrated using the lamp bulb imaging beam path in Fig. 2. If the focal length of the first converging lens (3) is also selected such that the lamp bulb (2) is imaged in a greatly reduced size, the overall result is a homogeneous intensity distribution in the image-side focal plane (8) of the second converging lens (4), which coincides with the light guide entrance surface (8).

Weiterhin kann die zweite Sammellinse (4) bzw. ein entsprechend komplexeres optisches System gleicher optischer Wirkung entlang der optischen Achse (11) verschoben werden, um den Homogenisierungsgrad optimal an die Übertragungseigenschaften des verwendeten Lichtleiters anzupassen.Furthermore, the second converging lens (4) or a correspondingly more complex optical system with the same optical effect can be moved along the optical axis (11) in order to optimally adapt the degree of homogenization to the transmission properties of the light guide used.

Verwendung findet eine derartige Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung beispielsweise als koaxiale Beleuchtungseinrichtung eines Operationsmikroskopes, einer Spaltleuchte, eines Endoskops oder aber als intraokulare Beleuchtungseinrichtung. Mit Ausnahme der letzten Anwendung ist auskoppelseitig üblicherweise noch jeweils eine Optik nach dem Lichtleiter angeordnet, die die Ausleuchtung des jeweiligen Untersuchungsfeldes gewährleistet.Such a light guide lighting device is used, for example, as a coaxial lighting device for a surgical microscope, a slit lamp, an endoscope, or as an intraocular lighting device. With the exception of the last application, an optic is usually arranged after the light guide on the output side, which ensures the illumination of the respective examination field.

In Fig. 3 ist ein Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den Bezeichnungen der Linsenradien r·, Linsendicken d· und Linsenabstände di· dargestellt wie sie im Datensatz der Tabelle 1 verwendet werden. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nachIn Fig. 3, a section through an embodiment of the device according to the invention is shown with the designations of the lens radii r·, lens thickness d· and lens distances di· as they are used in the data set in Table 1. Of course, the device according to the invention is

entsprechender Dimensionierung' der optischen Daten auch in Verbindung mit anderen Lichtquellen inklusive Reflektoranordnungen bzw. Lichtleitern zu verwenden.appropriate dimensioning of the optical data can also be used in conjunction with other light sources including reflector arrangements or light guides.

Claims (1)

Ansprüche: ** » ■ ■·Claims: ** » ■ ■· 1. Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung, bestehend aus einer Lichtquelle mit Reflektoranordnung und einem vorgeordneten Lichtleiter, in dessen Eintrittsfläche mittels eines optischen Systems eine Einkopplung der Strahlung der Lichtquelle vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System aus mindestens zwei koaxial angeordneten Linsensystemen (3, 4) besteht, von denen das der Lichtquelle" (2) zugewandte erste Linsensystem (3) eine Abbildung des Brennpunktes der Reflektoranordnung nach unendlich gewährleistet, während das zweite, der Eintrittsfläche (8) des Lichtleiters (5) zugewandte Linsensystem (4) ein reelles Zwischenbild des Brennpunktes der Reflektoranordnung in der Ebene der Lichtleiter-Eintrittsfläche (8) erzeugt und die Distanz zwischen den beiden Linsensystemen (3, 4) derart dimensioniert ist, daß das von dem ersten Linsensystem (3) erzeugte Bild der Lichtquelle (2) in oder in der Nähe der Hauptebene (9) des zweiten Linsensystemes (4) liegt und weiterhin die Brennweite des ersten Linsensystemes (3) derart gewählt ist, daß eine starke Verkleinerung des Bildes der Lichtquelle (2) in oder in der Nähe der Hauptebene (9) des zweiten Linsensystemes (4) resultiert.1. Fiber optic lighting device, consisting of a light source with a reflector arrangement and a front-mounted fiber optic, in the entrance surface of which a coupling of the radiation from the light source is provided by means of an optical system, characterized in that the optical system consists of at least two coaxially arranged lens systems (3, 4), of which the first lens system (3) facing the light source (2) ensures an image of the focal point of the reflector arrangement towards infinity, while the second lens system (4) facing the entrance surface (8) of the fiber optic (5) produces a real intermediate image of the focal point of the reflector arrangement in the plane of the fiber optic entrance surface (8) and the distance between the two lens systems (3, 4) is dimensioned such that the image of the light source (2) produced by the first lens system (3) lies in or near the main plane (9) of the second lens system (4) and furthermore the focal length of the first lens system (3) is selected such that a strong reduction of the image of the light source (2) in or near the main plane (9) of the second lens system (4) results. 2. Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein relatives Versetzen des zweiten Linsensystemes (4) entlang der optischen Achse (11) möglich ist, um den Homogenisierungsgrad optimal an die übertragungseigenschaften des Lichtleiters (5) anzupassen .2. Optical fiber lighting device according to claim 1, characterized in that a relative displacement of the second lens system (4) along the optical axis (11) is possible in order to optimally adapt the degree of homogenization to the transmission properties of the optical fiber (5). 3. Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes Linsensystem (3) eine einzelne Linse mit positiver Brechkraft vorgesehen ist und als zweites Linsensystem (4) ebenfalls eine einzelne Linse mit positiver Brechkraft vorgesehen ist.3. Fiber optic lighting device according to claim 1, characterized in that a single lens with positive refractive power is provided as the first lens system (3) and a single lens with positive refractive power is also provided as the second lens system (4). Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (2) mit Reflektor-Anordnung eine Kaltlichtspiegellampe mit ellipsoidförmiger Reflektoranordnung vorgesehen ist.Light guide lighting device according to claim 1, characterized in that a cold light mirror lamp with an ellipsoidal reflector arrangement is provided as the light source (2) with reflector arrangement. Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgenden Datensatz für die beiden Linsensysteme (3, 4):Optical fiber lighting device according to claim 1, characterized by the following data set for the two lens systems (3, 4): Tabelle 1Table 1 Linselens Radius
r^/mmradius
r^/mm Dickethickness d ·/mmd/mm Abstand d^/mmDistance d^/mm GlasGlass L 1 (3)L1 (3) = 35,9960 = 35.9960 r0 = -6,6834 r0 = -6.6834 r3 = 6,6834 r4 = -35,9960 r3 = 6.6834 r4 = -35.9960 d-, = 5,000d-, = 5,000 L 2 (4) d3 = 5,000L 2 (4) d 3 = 5,000 do = 8,315 d0 = 11,500 &aacgr;&Dgr; = 8,315d o = 8.315 d 0 = 11.500 Δ = 8.315 K 5K5 K 5K5 6. Operationsmikroskop, dadurch gekennzeichnet, daß es mit der Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche ausgestattet ist.6. Surgical microscope, characterized in that it is equipped with the light guide illumination device according to at least one of the preceding claims. 7. Spaltlampe, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit der Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche ausgestattet ist.7. Slit lamp, characterized in that it is equipped with the light guide illumination device according to at least one of the preceding claims. 8. Intraokulare Beleuchtungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit der Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche ausgestattet ist.8. Intraocular illumination device, characterized in that it is equipped with the light guide illumination device according to at least one of the preceding claims. 9. Endoskop, dadurch gekennzeichnet, daß es mit der Lichtleiter-Beleuchtungseinrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche ausgestattet ist.9. Endoscope, characterized in that it is equipped with the light guide illumination device according to at least one of the preceding claims.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE4341555A1 (en) * 1992-12-28 1994-07-07 Ford Werke Ag Device for bundling and transmitting light

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