RU168128U1 - Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) - Google Patents

Abstract

Заявленное устройство относится к области осветителей внутренних полостей, используемых в том числе в медицине, офтальмологии. Эндоскопический иллюминатор состоит из осветительного устройства с оптоволоконным лазерным модулем, зонда и узла сопряжения осветительного устройства с зондом. В узле сопряжения последовательно и центрировано друг относительно друга и в непосредственной технологически допустимой близости друг к другу расположены поверхности плоского торца дистального конца первого оптического волокна, диафрагмы, люминофора и плоского торца проксимального конца широкоапертурного второго оптического волокна. При этом размер люминофора не превышает диаметра второго оптического волокна и не менее размеров пятна лазерного луча, проецируемого на поверхность раздела между подложкой и люминофором при работе оптоволоконного лазерного модуля. Технический результат – увеличение эффективности работы одноволоконного эндоскопического иллюминатора .1 н.п. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Область техники

Предлагаемая полезная модель относится к области осветителей внутренних полостей, используемых в технике, медицине, в том числе офтальмологии, а именно, к одноволоконному эндоскопическому иллюминатору (эндоиллюминатору), основанному на использовании источников излучения, оптического волновода, активного элемента, преобразующего длину волны.

Предшествующий уровень техники

Для качественного визуального исследования объектов и полостей медицинскими (в том числе для офтальмологии), либо техническими эндоскопами (бароскопами) необходимо их хорошее освещение. Разработаны различные светоизлучающие устройства (эндоосветители), в основном содержащие мощный источник света и оптически связанное с ним оптическое волокно, передающее свет от источника излучения в заданную зону. Такими источниками света могут быть металлогалогенная, галогенная, ксеноновая, ртутная лампы [С.Н. Казиев, С.А. Борзенок, И.Н. Сабурина, Н.В. Кошелева, Х.Д. Тонаева, «Эндоиллюминация в ходе витреальной хирургии - эволюция вопроса и особенности применения на современном этапе», см. сайт ООО «ПРАКТИКА»]. Их мощность составляет 100-300 Вт. Спектр ксеноновой лампы приблизительно равномерный по всей области видимого света, близкий к дневному, что необходимо при различных применениях осветителей. Благодаря относительно малым размерам светящейся области лампы могут использоваться как условный точечный источник света, позволяющий производить достаточно точную фокусировку. Однако, лампы имеют сравнительно большие габариты стеклянной колбы. В этом случае требуются фокусирующие и другие оптические элементы (зеркала и аттенюаторы), обычно устанавливаемые перед проксимальным торцом оптического волновода. Это приводит к потерям при передаче света, к большим габаритам устройств. Кроме того, недостатком таких ламп является выделение большого количества тепла при их работе.

Для расширения возможности использования в различных условиях светоизлучающих устройств их габариты уменьшены путем использования в качестве источников света полупроводниковых светоизлучающих диодных элементов, в частности светодиодов (СД) (см., например, [патент RU2526423 публикации 20.08.2014, A61F 9/00, A61B 19/00 (патент US8277048 публикации 02.10.2012, A61B 3/10); патент RU2560902 публикации 20.08.2015, A61F 9/009 (патент US8398240 публикации 19.03.2013, А61В 3/10)]). Конструкция такого устройства проще и его стоимость меньше ламповых. Срок службы светодиодов 50000 … 100000 часов, поэтому стало возможным проведение различных исследований полостей и операций в течение более длительного времени. Снижение освещенности в результате наработки происходит медленнее и смены источника света во время проведения исследований (операций) не потребуется.

В известном офтальмологическом эндоиллюминаторе использован синий либо УФ светодиод в качестве источника света накачки [патент RU2560902 публикации 20.08.2015, A61F 9/009 (патент US8398240 публикации 19.03.2013, A61B 3/10)]. На нем со стороны выхода излучения имеется слой люминофора, излучающего в желтой области видимого спектра. После прохождения излучения светодиода через люминофор получают белый свет как результат смешения желтого света люминофора (материал - фосфор желтого цвета свечения, например, гранат, легированный церием, ортосиликат, легированный церием) и синего света светодиода накачки, часть которого не поглотилась люминофором. Для увеличения яркости (не прибегая к увеличению токов накачки первого упомянутого светодиода, тем самым, не снижая его срока службы) люминофор облучают вторым источником синего или УФ излучения, которым может быть либо второй светодиод, либо полупроводниковый лазер, либо какая-либо лампа накачки. В результате повышается оптический выход из люминофора. Далее установлены оптические элементы, в том числе,. фокусирующие излучение на торец проксимального конца оптического волокна.

Излучение ламп и светодиодов, а также люминофоров, является спонтанным излучением, распространяющимся однородно во все стороны пространства, либо в одну полусферу. В последнем случае диаграмма направленности носит характер распределения Ламберта, что характерно для светодиодов и люминофоров. Как уже говорилось ранее, излучение ламп может быть с достаточной эффективностью введено в волокно только с помощью отражающих зеркал и линз. Излучение светодиодов и люминофоров может быть введено непосредственно в проксимальный конец волокна, поскольку зазор между торцом волокна и излучающей поверхностью может быть сделан минимальным, [патент RU2526423 публикации 20.08.2014, A61F9/00, A61B 19/00, (патент US8277048 публикации 02.10.2012, А61В 3/10)]. При таком вводе излучения, называемом в англоязычной литературе butt-coupling, максимальный коэффициент ввода, как отношение мощности излучения в пространство диаграммы Ламберта к мощности излучения в волокне, получается в случае минимального зазора между проксимальным торцом волокна и излучающей поверхностью, при максимальной числовой апертуре волокна, а также в том случае, когда размеры поверхности свечения, т.е. ее ширина, длина или приведенный размер, например, диаметр, меньше диаметра сердцевины волокна. Все три фактора определяют апертурные потери на вводе излучения в волокно.

Излучение лазера ввести в волокно гораздо проще ввиду его узкой диаграммы направленности и малой области свечения, как, например, у диодных лазеров. Поэтому в следующем известном светоизлучающем устройстве в качестве источника света накачки выбраны полупроводниковые лазерные диодные элементы. Предпочтительным является источник, излучающий свет на основной излучающей пиковой длине волны приблизительно от 350 нм до 550 нм [заявка US2006152926 публикации 13.07.2006, F21V 9/00 с приоритетом JP20040363103 от 15.12.2004 и JP20040366646 от 17.12.2004 (патент US7433115 публикации 07.10.2008, G02F 2/02, H01S 3/10 и патент US755985 публикации 07.07.2009, G02F 2/02, H01S 3/10)]. Светоизлучающее устройство сконструировано таким образом, что излучение лазерного диода сфокусированным направляется к торцу проксимального конца оптического волокна, что обеспечивает ввод в волокно значительной части излучения лазера. Для получения заданной длины волны конверсии на торце дистального конца оптического волокна размещен элемент преобразования длины волны (люминофор). Однако он поглощает по меньшей мере часть излучения лазерного диода, что приводит к сильному разогреву дистального конца волокна, одновременному разогреву люминофора и снижению его люминесцентных характеристик. Такое светоизлучающее устройство имеет очень хорошие излучательные характеристики при малых уровнях мощности накачки, но не пригодно в тех случаях, когда требуется высокий уровень освещенности объектов, что требует и высокий уровень лазерной накачки.

Известным патентом RU110817 публикации 27.11.2011, F21V8/00 защищено осветительное устройство, содержащее установленный в корпусе источник белого света в виде кристалла светодиода с люминофором на его выводной поверхности [Джонатан Вейнерт, Справочник «Светодиодное освещение», 2010, Philips Solid-State Lighting Solutions, Inc., c.25] и светопроводящий волоконный жгут из высоко апертурного оптического волокна, имеющий плоский перпендикулярный волокнам торец и расположенный в непосредственной близости к излучающей поверхности кристалла. Желательно, чтобы площадь торца волоконного жгута позволяла полностью закрыть излучающую поверхность кристалла. При этом волоконный жгут не имеет с кристаллом непосредственного механического контакта, но расположен настолько близко к его излучающей поверхности, насколько это технически выполнимо. Проксимальный конец волоконного жгута заключен в жесткую обойму, например, металлическую. Для отвода тепла, выделяемого светодиодом при свечении, корпус устройства выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например, из алюминия. Для удерживания проксимального конца волоконного жгута в положении, обеспечивающем максимальный сбор и передачу излучаемого света, корпус включает втулку с центральным отверстием для размещения проксимального конца волоконного жгута. При этом втулка дополнительно имеет боковое отверстие под стопорный винт для фиксации упомянутого волоконного жгута.

В данном устройстве получены малые габариты устройства, так как отсутствует фокусирующая оптика. Белый свет излучается самим светодиодом, который может быть серийно выпускаемым. Однако, данному устройству присущи недостатки, характерные при использовании светодиодов в качестве источников излучения.

Для многих медицинских и технических применений необходимо иметь осветители с диаметром волокна менее 0.4 мм. В частности, в офтальмологии и нейрохирургии применяются световые зонды с калибром 20G, 23G, 25G, 27G и даже 31G. Диаметр внутреннего канала таких зондов составляют 0.7 мм, 0.5 мм, 0.4 мм, 0.25 мм и 0.15 мм, соответственно. Именно по этим внутренним каналам в зонд вставляется оптическое волокно. Для эффективного ввода излучения в волокна таких малых диаметров размер тела свечения должен быть меньше диаметра волокна. Кристаллы светодиодов, выпускаемых серийно, имеют минимальные размеры 0.25^*0.25 мм для маломощных приборов и размеры порядка 1 мм^*1 мм и более, для мощных светодиодов. Таким образом, размер доступных кристаллов светодиодов существенно больше диаметра волокон современных зондов. Кроме того, поскольку конструкция светодиодного кристалла предусматривает наличие электрического контакта на излучающей поверхности, зазор между ней и проксимальным торцом волокна не может быть менее 0.02 мм, что также увеличивает оптические потери. Другим важным недостатком светодиодов является тот факт, что люминофор, находящийся в прямом контакте с излучающей поверхностью, греется не только в результате поглощения части света накачки, но и в результате нагрева кристалла светодиода, протекающим через него током. Повышение температуры люминофора приводит к снижению эффективности преобразования света накачки и изменению светотехнических характеристик.

Раскрытие полезной модели

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение эффективности работы одноволоконного эндоскопического иллюминатора (эндоиллюминатора) за счет повышений коэффициента ввода спонтанного излучения люминофора в оптические волокна малых диаметров и, соответственно, выходящего из него светового потока излучения.

В соответствии с предложенной полезной моделью технический результат достигается тем, что предложен одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор), далее для краткости одноволоконный эндоиллюминатор. В нем имеется осветительное устройство, включающее оптоволоконный лазерный модуль на основе полупроводникового лазера с оптическим волокном, названным первым оптическим волокном, с плоским торцом на его дистальном конце, перпендикулярным оптическим осям первого оптического волокна и лазерного луча, выходящего из первого оптического волокна при работе оптоволоконного лазерного модуля. Осветительное устройство также включает последовательно и центрировано друг относительно друга находящиеся: диафрагму в непосредственной технологически допустимой близости к плоскому торцу первого оптического волокна; активный элемент преобразователя излучения, представляющий находящуюся на диафрагме одной своей поверхностью подложку из материала, прозрачного для излучения оптоволоконного лазерного модуля при его работе, с имеющимся на противоположной ее поверхности люминофором. Далее в одноволоконном эндоиллюминаторе имеется зонд с широкоапертурным одножильным оптическим волокном, названным вторым оптическим волокном, с плоским торцом на его проксимальном конце, перпендикулярным оптической оси второго оптического волокна и находящимся в непосредственной технологически допустимой близости к поверхности люминофора, излучающего при работе осветительного устройства. Определено, что размер люминофора не превышает диаметра второго оптического волокна и не менее размеров пятна лазерного луча, проецируемого на поверхность раздела между подложкой и люминофором при работе осветительного устройства, при совпадении оптических осей лазерного луча и первого и второго оптического волокна. Кроме того, одноволоконный эндоиллюминатор содержит крепежные элементы, в том числе, для центрирования упомянутого плоского торца проксимального конца второго оптического волокна относительно плоского торца дистального конца первого оптического волокна.

Существенным является то, что в предложенном одноволоконном эндоскопическом иллюминаторе (эндоиллюминаторе) - одноволоконном эндоиллюминаторе, размер люминофора не превышает диаметра широкоапертурного одножильного оптического волокна (названного вторым оптическим волокном) и не менее размеров пятна луча, выходящего из первого оптического волокна, при расположении в непосредственной технологически допустимой близости друг к другу поверхностей плоского торца дистального конца первого оптического волокна, введенной диафрагмы, люминофора и плоского торца проксимального конца широкоапертурного одножильного второго оптического волокна. Предложенное обеспечивает максимальный ввод спонтанного излучения люминофора в плоский торец проксимального конца второго оптического волокна в соответствии с его числовой апертурой и одновременно позволяет значительно повысить световой поток выходного излучения из дистального конца одноволоконного эндоиллюминатора с преобразованной длиной волны при сохранении его надежности. Предусмотрено, что выбран оптоволоконный лазерный модуль, излучение полупроводникового лазера которого поглощается соответствующим люминофором, преобразующим его полностью или частично в спонтанное излучение люминофора.

Технический результат достигается также тем, что между плоским торцом дистального конца первого оптического волокна и активным элементом преобразователя излучения имеется одна линза или оптическая система линз для снижения размеров пятна луча, идущего из первого оптического волокна и падающего на поверхность раздела между подложкой и люминофором во время работы осветительного устройства одноволоконного эндоиллюминатора.

Технический результат достигается также тем, что диаметр отверстия диафрагмы достаточен для прохождения через нее более 99% мощности излучения, выходящего из первого оптического волокна при работе осветительного устройства.

Технический результат достигается также тем, что толщина люминофора должна быть достаточной для преобразования не менее 30% излучения, выходящего из первого оптического волокна (для получения излучения с преобразованной длиной волны), при работе осветительного устройства одноволоконного эндоиллюминатора.

Технический результат достигается также тем, что в осветительном устройстве имеются первый оптический разъем с возможностью центрированного крепления в нем дистального конца первого оптического волокна.

Технический результат достигается также тем, что имеется второй оптический разъем с возможностью центрированного крепления в нем проксимального конца второго оптического волокна.

Технический результат достигается также тем, что имеется корпус с возможностью центрированного сопряжения с ним диафрагмы и крепления с ним первого и второго оптических разъемов. В этом случае обеспечен эффективный отвод тепла, выделяемого при излучении люминофора активного элемента при работе осветительного устройства, что способствует повышению светового потока излучения при увеличении выходной мощности осветительного устройства и, следовательно, увеличению эффективности работы одноволоконного эндоиллюминатора.

Технический результат достигается также тем, что проксимальная часть зонда с упомянутым вторым оптическим волокном находится в осевом центральном пазе коннектора и имеется возможность центрированного крепления коннектора со вторым оптическим разъемом. С помощью предложенных крепежных элементов достигается центрирование упомянутого плоского торца проксимального конца второго оптического волокна относительно плоского торца дистального конца первого оптического волокна.

Технический результат достигается также тем, что на дистальном конце второе оптическое волокно имеет металлическую оболочку в форме иглы, образующую наконечник зонда одноволоконного эндоиллюминатора.

Технический результат достигается также тем, что широкоапертурное второе оптическое волокно имеет длину от 3 мм до 300 мм и на дистальном конце оканчивается оптическим разъемом, позволяющим подсоединять следующее аналогичное широкоапертурное одножильное оптическое волокно с не меньшим значением числовой апертуры.

Технический результат достигается также тем, что в оптоволоконном лазерном модуле имеется полупроводниковый лазер на основе нитридов галлия-индия-алюминия, при работе осветительного устройства излучающий в синей области видимого спектра в диапазоне длин волн 445-475 нм, люминофором является порошок граната, легированного церием, например, либо алюмоиттриевого, либо галлий-гадолиниевого, с полосой поглощения в диапазоне 430-480 нм, причем размер кристаллов порошка люминофора лежит в диапазоне 3-40 мкм. Предложенное обеспечивает рассеяние лазерного излучения света накачки по индикатрисе, примерно совпадающей с индикатрисой спонтанного излучения люминофора, а при смешении рассеянного лазерного излучения синего спектра с желтым спонтанным излучением люминофора получение результирующего белого света.

Технический результат достигается также тем, что в качестве люминофора могут быть выбраны любые люминофоры, поглощающие синий свет накачки, например, галлий-гадолиниевый гранат, или галлий-скандий-гадолиниевый гранат, легированные церием или другими примесями, например, диспрозием, или алюмосиликаты, легированные редкоземельными элементами, поглощающими синий или УФ свет накачки диодного лазера и излучающего на другой длине волны.

Технический результат достигается также тем, что в качестве прозрачной подложки могут быть сапфир, или лейкосапфир, или рубин, или гранаты, или бериллы, или карбид кремния, или нитрид галлия, или нитрид алюминия, или алмаз, или нитрид бора, или фосфид галлия, или другие материалы, прозрачные для излучения света накачки и света, излучаемого люминофором.

Технический результат достигается также тем, что на поверхности подложки, противоположной поверхности, находящейся на диафрагме, размещен отражатель в виде чаши параболоида или одной чаши гиперболоида, причем излучающая поверхность люминофора расположена в фокусе отражателя, тем самым, свет люминофора, напрямую не попадающий в угол апертуры второго оптического волокна, попадает в него, отражаясь от поверхности отражателя.

Нами не найден одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) с предложенной совокупностью признаков, что подтверждает наличие его новизны.

Технологическая реализация предложенного одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) основана на известных базовых методах его изготовления, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».

Краткое описание чертежей

Предлагаемый одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор), далее для краткости одноволоконный эндоиллюминатор, поясняется чертежами на фигурах 1-3.

На Фиг. 1 представлено фото одноволоконного эндоиллюминатора в рабочем состоянии.

На Фиг. 2 представлено фото осветительного устройства в рабочем состоянии.

На Фиг. 3 схематически изображен узел сопряжения. Позициями на чертежах обозначены:

1 - осветительное устройство

2 - волоконный лазерный модуль

3 - зонд

4 - узел сопряжения,

5 - радиатор

6 - оптоволоконный кабель,

7 - первый оптический разъем (изображение схематическое),

8 - корпус,

9 - коннектор,

10 - наконечник,

11 - первое оптическое волокно,

12 - диафрагма,

13 - активный элемент

14 - крепежная прижимная гайка

15 - второе оптическое волокно, широкоапертурное одножильное

16 - второй оптический разъем.

Варианты осуществления полезной модели

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами осуществления предложенного одноволоконного эндоскопического иллюминатора (эндоиллюминатора). Приведенные примеры модификаций не являются единственными и предполагают наличие других реализаций.

Предложенный одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор), далее для краткости будет использовано название одноволоконный эндоиллюминатор (фото его общего вида в рабочем состоянии имеется на Фиг. 1), состоит из осветительного устройства 1, зонда 3 и узла сопряжения 4 осветительного устройства 1 с зондом 3. Осветительное устройство 1 размещено в дистальной части оптоволоконного кабеля 6, соединенного в своей проксимальной части с волоконным выходом волоконного лазерного модуля 2, закрепленного на радиаторе 5. В волоконный лазерный модуль 2 входит полупроводниковый торцевой диодный лазер (на фигурах не изображен). В осветительное устройство 1 входят первый оптический разъем 7 (находится под соединительной гайкой на Фиг. 2) и корпус 8. Зонд 3 в его проксимальной части помещен в коннектор 9, а в его дистальной части - в наконечник 10.

Сборка осветительного устройства 1 с проксимальным концом второго оптического волокна 15 зонда 3 одноволоконного эндоиллюминатора, названная узлом сопряжения 4, изображена на Фиг. 3. В оптоволоконном кабеле 6 размещено первое оптическое волокно 11, по которому непосредственно передается лазерное излучение от диодного лазера волоконного лазерного модуля 2. Дистальный конец первого оптического волокна 11 размещен по центральной оси первого оптического разъема 7 (дано схематическое изображение) и имеет плоский торец, перпендикулярный оптической оси волокна 11. Первый оптический разъем 7 центрировано закреплен в корпусе 8. Плоский торец первого оптического волокна 11 на его дистальном конце находится в непосредственной технологической близости от поверхности диафрагмы 12, выполненной в корпусе 8. На противоположной ее поверхности находится подложка активного элемента 13, прозрачная для излучения на длине волны использованного полупроводникового лазера. На противоположной поверхности подложки имеется люминофор (на Фиг. 3 люминофор не показан). Подложка активного элемента 13 фиксируется на диафрагме 12 с помощью крепежной прижимной медной гайки 14. Одножильное широкоапертурное оптическое волокно 15, названное вторым оптическим волокном, помещено в зонд 3. Проксимальная часть зонда 3 закреплена во втором оптическом разъеме 16, а проксимальный конец с плоским торцом второго оптического волокна 15 - в центральном осевом отверстии медной гайки 14. Для центрирования плоского торца второго оптического волокна 15 относительно элементов осветительного устройства второй оптический разъем 16 соединен с корпусом 8. Второй оптический разъем 16 также закреплен в коннекторе 9 зонда 3.

В данной модификации в качестве волоконного лазерного модуля выбран модуль с длиной волны 450±20 нм (в нем использован полупроводниковый торцевой диодный лазер на основе нитридов галлия-индия-алюминия фирмы Nichia, излучающий на длине волны 450±20 нм со световой мощностью 1,5 Вт). Подложка, прозрачная для излучения на длине волны 450 нм использованного диодного лазера, выполнена из сапфира. Люминофором выбран стандартный люминофор ФЛЖ-7, являющийся галлий-гадолиниевым гранатом, легированным церием, со средним размером гранул 5 мкм и с полосой поглощения в диапазоне 435-475 нм (размер кристаллов порошка люминофора выбранный из диапазона 3-40 мкм обеспечивает рассеяние лазерного излучения света накачки по индикатрисе, примерно совпадающей с индикатрисой спонтанного излучения люминофора, а рассеянное излучение синего лазера, смешиваясь с желтым спонтанным излучением люминофора, дает результирующий белый свет. В качестве широкоапертурного одножильного оптического волокна 15 выбрано оптическое волокно диаметром 300±50 мкм с числовой апертурой NA0,5.

Расстояние между излучающей поверхностью плоского торца первого оптического волокна 11 первого оптического разъема 7 и принимающим излучение плоским торцом высоко апертурного второго оптического волокна 15 выполнено равным сумме толщин диафрагмы 12 (500±50 мкм) и активного элемента 13 (250±50 мкм). Итого 750±100 мкм. Диаметры люминофора активного элемента 13 и отверстия диафрагмы 12 выбраны не более диаметра плоского торца проксимального конца первого оптического волокна, перпендикулярного его оптической оси, а именно 300±50 мкм. Использование волоконного лазерного модуля 2 позволяет проводить более однородную накачку люминофора за счет круговой симметрии диаграммы направленности оптического волокна. Длина второго оптического волокна 15 выбрана равной 1,5 м.

Осветительное устройство 1 работает следующим образом. Для проведения измерений и тестирования волоконный лазерный модуль 2 подсоединяют к источнику тока накачки (на фигурах не показан). После подачи тока накачки и начала генерации излучение волоконного лазерного модуля, пройдя первый оптический разъем 7 и отверстие диафрагмы 12, попадает через прозрачную подложку активного элемента 13 на люминофор. В люминофоре часть света накачки поглощается с преобразованием в спонтанное излучение. Часть излучения накачки, величина которой зависит от толщины люминофора, претерпевая рассеяние на микрокристаллах люминофора, проходит через него, смешиваясь с излучением самого люминофора. Результирующее излучение падает на плоский проксимальный торец высоко апертурного второго оптического волокна 15, а та его часть, которая соответствует числовой апертуре второго оптического волокна 15, в дальнейшем распространяется по второму оптическому волокну 15 зонда 3 и выходит из наконечника 10 дистальной части зонда 3.

Нами обеспечен максимальный ввод спонтанного излучения в торец проксимального конца оптического волокна в соответствии с его числовой апертурой NF0,5.

Получено повышение коэффициента ввода спонтанного излучения люминофора в оптические волокна малого диаметра, равным 300 мкм. Получено повышение коэффициента ввода спонтанного излучения люминофора в такое оптическое волокно в 3 раза по сравнению с присутствующими на рынке устройствами, где в качестве источника света применяются светодиоды. Световой поток на выходе из одноволоконного эндоиллюминатора составил 65 люмен, что превысило значения на известных лучших устройствах на светодиодах в 4 раза.

В следующей модификации одноволоконного эндоиллюминатора было использовано оптическое волокно диаметром, равным 200 мкм. Получено повышение коэффициента ввода спонтанного излучения люминофора в данное оптическое волокно в 5 раз. Световой поток на выходе из одноволоконного эндоиллюминатора составил 25 люмен, что превысило значения на известных лучших устройствах на светодиодах в 5 раз.

Центрированное сопряжение корпуса 8 и диафрагмы 12 и жесткое крепление с корпусом 8 первого 7 и второго 16 оптических разъемов обеспечило эффективный отвод тепла, выделяемого при излучении люминофора активного элемента 13 при работе оптического устройства 1, и способствовало повышению светового потока излучения, увеличению выходной мощности осветительного устройства 1. Именно полученные параметры определили увеличение эффективности работы одноволоконного эндоскопического иллюминатора (эндоиллюминатора).

Следующая модификация одноволоконного эндоиллюминатора отличалась от предыдущих тем, что люминофором выбран стандартный люминофор, являющийся алюмоиттриевым гранатом, легированным церием, со средним размером гранул 5 мкм и с полосой поглощения в диапазоне 435-475 нм (размер кристаллов порошка люминофора, выбранный из диапазона 3-40 мкм также обеспечивает рассеяние лазерного излучения света накачки по индикатрисе, примерно совпадающей с индикатрисой спонтанного излучения люминофора, а рассеянное излучение синего лазера, смешиваясь с желтым спонтанным излучением люминофора, дает результирующий белый свет.

Значения коэффициента ввода спонтанного излучения люминофора в оптические волокна малого диаметра и светового потока на выходе из одноволоконного эндоиллюминатора не отличались (в пределах ошибки измерений) от приведенных в примерах со стандартным люминофором ФЛЖ-7 (галлий-гадолиниевый гранат, легированный церием), что обеспечило увеличение эффективности работы одноволоконного эндоскопического иллюминатора (эндоиллюминатора).

Следующая модификация одноволоконного эндоиллюминатора отличалась от предыдущих тем, что высоко апертурное одножильное второе оптическое волокно 15 имеет длину 150±1 мм и на дистальном конце оканчивается оптическим разъемом SMA. С помощью ответной части следующего оптического разъема подсоединено следующее широкоапертурное одножильное оптическое волокно (на фигурах не показано) с тем же значением числовой апертуры, что для оптического волокна 15, помещенного в зонд 3, в соответствии с первой модификацией.

В другой аналогичной модификации оптическое волокно 15 имеет длину 4±1 мм с оптическим разъемом на его дистальном конце.

В следующей аналогичной модификации оптическое волокно 15 имеет длину 299±1 мм с оптическим разъемом на его дистальном конце.

В следующих модификациях одноволоконного эндоиллюминатора отличающихся от предыдущих тем, что между плоским торцом первого оптического волокна 11 его дистального конца и активным элементом 13 преобразователя излучения установлена по крайней мере одна линза для снижения размеров пятна луча, исходящего из первого оптического волокна 11 и падающего на поверхность раздела между прозрачной для лазерного излучения подложкой и люминофором. Расстояние между излучающей поверхностью оптического волокна 11 и плоским торцом оптического волокна 15 будет увеличено на длину рабочего отрезка линзы или системы линз.

Следующая модификация одноволоконного эндоиллюминатора отличалась от предыдущих тем, что используется лазер, излучение которого поглощается люминофором, и люминофор, преобразующий полностью излучение лазера в свет спонтанного излучения люминофора.

Следующая модификация одноволоконного эндоиллюминатора отличалась от предыдущих тем, что используется лазер, излучение которого поглощается люминофором, и люминофор, преобразующий 80% излучения лазера в свет спонтанного излучения люминофора.

В следующих модификациях одноволоконного эндоиллюминатора в качестве люминофора был выбран любой люминофор, поглощающий синий свет накачки, например, галлий-гадолиниевый гранат, или галлий-скандий-гадолиниевый гранат, легированный церием или другими примесями, например, диспрозием, или алюмосиликаты, легированные редкоземельными элементами, поглощающими синий или УФ свет накачки диодного лазера и излучающего на другой длине волны.

Следующие модификации одноволоконного эндоиллюминатора отличались от предыдущих тем, что в качестве прозрачной подложки используется сапфир, или лейкосапфир, или рубин, или гранаты, или бериллы, или карбид кремния, или нитрид галлия, или нитрид алюминия, или алмаз, или нитрид бора, или фосфид галлия и другие материалы, прозрачные для излучения света накачки и света, излучаемого люминофором.

Следующие модификации одноволоконного эндоиллюминатора отличались от предыдущих тем, что на поверхности подложки размещен параболический или гиперболический отражатель (на фигурах не показаны), причем излучающая поверхность люминофора расположена в фокусе отражателя, тем самым, свет люминофора, напрямую не попадающий в угол апертуры второго оптического волокна, отражаясь от поверхности отражателя, меняет свое направление и попадает в угол апертуры волокна.

Предложенные оригинальные осветительное устройство и его соединение с зондом одноволоконного эндоиллюминатора позволили получить одноволоконный эндоиллюминатор с повышенным световым потоком передаваемого излучения и расширенного спектра, в том числе излучения белого света, а также получить повышение коэффициента ввода спонтанного излучения люминофора в оптические волокна малого диаметра при сохранении надежности одноволоконного эндоиллюминатора.

В предложенном одноволоконном эндоскопическом иллюминаторе (эндоиллюминаторе) достигнут поставленный технический результат - увеличена эффективность его работы за счет повышения коэффициента ввода спонтанного излучения люминофора в волокна малого диаметра и, соответственно, повышения светового потока передаваемого излучения расширенного спектра, в том числе излучения белого света.

Промышленная применимость

Предложенный одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) с оригинальным осветительным устройством может быть использован при проведении хирургических операций, в том числе, офтальмологических, при исследовании внутренних полостей, в том числе технических, например, станков, резервуаров и других емкостей, а также в качестве точечного источника света в системах машинного зрения.

Claims (16)

1. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор), содержащий осветительное устройство, включающее оптоволоконный лазерный модуль на основе полупроводникового лазера с оптическим волокном, названным первым оптическим волокном, с плоским торцом на его дистальном конце, перпендикулярным оптическим осям первого оптического волокна и лазерного луча, выходящего из первого оптического волокна, при работе оптоволоконного лазерного модуля, далее включающее последовательно и центрировано друг относительно друга находящиеся диафрагму в непосредственной технологически допустимой близости к плоскому торцу первого оптического волокна, активный элемент преобразователя излучения, представляющий находящуюся на диафрагме одной своей поверхностью подложку из материала, прозрачного для излучения оптоволоконного лазерного модуля при его работе, с имеющимся на противоположной ее поверхности люминофором, а также содержащий зонд с широкоапертурным одножильным оптическим волокном, названным вторым оптическим волокном с плоским торцом на его проксимальном конце, перпендикулярным оптической оси второго оптического волокна и находящимся в непосредственной технологически допустимой близости к поверхности люминофора, излучающей при работе осветительного устройства, причем размер люминофора не превышает диаметра второго оптического волокна и не менее размеров пятна лазерного луча, проецируемого на поверхность раздела между подложкой и люминофором при работе осветительного устройства, при совпадении оптических осей лазерного луча и первого и второго оптического волокна, и содержащий крепежные элементы, в том числе, для центрирования упомянутого плоского торца проксимального конца второго оптического волокна относительно поверхности плоского торца дистального конца первого оптического волокна.

2. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) по п. 1, отличающийся тем, что между плоским торцом дистального конца первого оптического волокна и активным элементом преобразователя излучения имеется одна линза.

3. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) по п. 1, отличающийся тем, что между плоским торцом первого оптического волокна его дистального конца и активным элементом преобразователя излучения имеется оптическая система линз.

4. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) по п. 1, отличающийся тем, что диаметр отверстия диафрагмы достаточный для прохождения через нее более 99% мощности излучения, выходящего из первого оптического волокна при работе осветительного устройства.

5. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) по п. 1, отличающийся тем, что толщина люминофора должна быть достаточной для преобразования не менее 30% излучения, выходящего из первого оптического волокна при работе осветительного устройства.

6. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) по п. 1, отличающийся тем, что имеется первый оптический разъем с возможностью центрированного крепления в нем дистального конца первого оптического волокна.

7. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) по п. 1, отличающийся тем, что имеется второй оптический разъем с возможностью центрированного крепления в нем проксимального конца второго оптического волокна.

8. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) по п. 6 или 7, отличающийся тем, что имеется корпус с возможностью центрированного сопряжения с ним диафрагмы и крепления с ним первого и второго оптических разъемов.

9. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) по п. 7, отличающийся тем, что проксимальная часть зонда с упомянутым вторым оптическим волокном находится в осевом центральном пазе коннектора и имеется возможность центрированного крепления коннектора со вторым оптическим разъемом.

10. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) по п. 1, отличающийся тем, что на дистальном конце второе оптическое волокно имеет металлическую оболочку в форме иглы, образующую наконечник зонда.

11. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) по п. 1, отличающийся тем, что второе оптическое волокно имеет длину от 5 до 300 мм и на дистальном конце оканчивается оптическим разъемом, позволяющим подсоединять следующее аналогичное широкоапертурное одножильное оптическое волокно с тем же или не меньшим значением числовой апертуры.

12. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) по п. 1, отличающийся тем, что в оптоволоконном лазерном модуле имеется полупроводниковый лазер на основе нитридов галлия-индия-алюминия, излучающий в синей области видимого спектра в диапазоне длин волн 445-475 нм, люминофором является порошок граната, легированного церием, с полосой поглощения в диапазоне 400-520 нм, причем размер кристаллов порошка люминофора лежит в диапазоне 3-40 мкм.

13. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) по п. 12, отличающийся тем, что люминофором является порошок алюмоиттриевого граната, легированного церием.

14. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) по п. 12, отличающийся тем, что люминофором является порошок галлий-гадолиниевого граната, легированного церием.

15. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности подложки, противоположной поверхности находящейся на диафрагме, размещен отражатель, имеющий форму чаши параболоида, причем люминофор расположен в фокусе отражателя.

16. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности подложки, противоположной поверхности находящейся на диафрагме, размещен отражатель, имеющий форму одной чаши гиперболоида, причем люминофор расположен в фокусе отражателя.

Images