RU169744U1 - Одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) - Google Patents

Abstract

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. Предложение содержит оригинальное осветительное устройство, содержащее полупроводниковый лазер с возможностью отвода тепла, диафрагму, активный элемент преобразователя излучения с люминофором, находящимися последовательно, центрировано и в непосредственной технологически допустимой близости относительно друг друга. Предложение также содержит зонд с широкоапертурным одножильным оптическим волокном и оригинальное соединение осветительного устройства с оптическим волокном зонда и с зондом. При этом размер люминофора не превышает диаметр оптического волокна и не менее размеров пятна лазерного луча, проецируемого на поверхность раздела между подложкой и люминофором при работе полупроводникового лазера. 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

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) [патент RU 2526423, публикация 20.08.2014, A61F 9/00, А61В 19/00; патент US 8277048, публикация 02.10.2012, А61В 3/10; патент RU 2560902, публикация 20.08.2015, A61F 9/009; патент US 8398240, публикация 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 RU 2560902, публикация 20.08.2015, A61F 9/009; патент US 8398240, публикация 19.03.2013, А61В 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 RU 2526423, публикация 20.08.2014, A61F 9/00, А61В 19/00; патент US 8277048, публикация 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 US 2006152926, публикация 13.07.2006, F21V 9/00 с приоритетом JP 20040363103 от 15.12.2004 и JP 20040366646 от 17.12.2004; патент US 7433115, публикация 07.10.2008, G02F 2/02, H01S 3/10 и патент US 755985, публикация 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 RU 110817, публикация 27.11.2011, F21V 8/00 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 высокоапертурного 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 составляет 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 последовательно и центрировано относительно друг друга находящиеся: полупроводниковый лазер с возможностью отвода тепла; диафрагму, расположенную в непосредственной технологически допустимой близости к излучающей поверхности полупроводникового лазера при его работе; активный элемент преобразователя излучения, представляющий находящуюся на диафрагме одной своей поверхностью подложку из материала, прозрачного для излучения полупроводникового лазера при его работе, с нанесенным на противоположную поверхность подложки люминофором. Далее в одноволоконном эндоиллюминаторе имеется зонд с широкоапертурным одножильным оптическим волокном, далее называемом оптическим волокном, имеющим на проксимальном конце плоский торец, перпендикулярный оптической оси оптического волокна, находящийся в непосредственной технологически допустимой близости к поверхности люминофора, излучающего при работе осветительного устройства. Определено, что размер люминофора не превышает диаметра оптического волокна и не менее размеров пятна луча полупроводникового лазера, проецируемого на поверхность раздела между подложкой и люминофором при работе осветительного устройства, при совпадении оптических осей лазерного луча и оптического волокна. Кроме того, одноволоконный эндоиллюминатор содержит крепежные элементы, в том числе для центрирования упомянутого плоского торца оптического волокна относительно излучающей поверхности полупроводникового лазера.

Существенным является то, что в предложенном одноволоконном эндоскопическом иллюминаторе (эндоиллюминаторе) - одноволоконном эндоиллюминаторе размер люминофора не превышает диаметра широкоапертурного одножильного оптического волокна и не менее размеров пятна луча полупроводникового лазера при расположении в непосредственной технологически допустимой близости друг к другу излучающей поверхности полупроводникового лазера, поверхностей диафрагмы, люминофора и плоского торца проксимального конца широкоапертурного одножильного оптического волокна. Предложенное обеспечивает максимальный ввод спонтанного излучения в торец проксимального конца оптического волокна в соответствии с его числовой апертурой и повышает световой поток выходного излучения из дистального конца одноволоконного эндоиллюминатора с преобразованной длиной волны при сохранении его надежности. Предусмотрено, что в качестве полупроводникового лазера может использоваться лазер, излучение которого поглощается соответствующим люминофором, преобразующим его полностью или частично в спонтанное излучение люминофора.

Технический результат достигается также тем, что полупроводниковый лазер имеет либо торцевой, либо вертикальный вывод излучения и, в частности, является диодным лазером.

Технический результат достигается также тем, что между выходной гранью полупроводникового лазера и активным элементом преобразователя излучения имеется одна линза или оптическая система линз для снижения размеров пятна луча полупроводникового лазера, падающего на поверхность раздела между прозрачной для лазерного излучения подложкой и люминофором во время работы осветительного устройства одноволоконного эндоиллюминатора.

Технический результат достигается также тем, что отверстие диафрагмы имеет диаметр, достаточный для прохождения через нее более 99% мощности излучения при работе полупроводникового лазера.

Технический результат достигается также тем, что толщина люминофора должна быть достаточной для преобразования не менее 30% излучения полупроводникового лазера (с преобразованной длиной волны) при работе одноволоконного эндоиллюминатора.

Технический результат достигается также тем, что полупроводниковый лазер находится на теплоотводе, а сам теплоотвод - в корпусе с возможностью их жесткого крепления относительно друг друга, что обеспечивает отвод тепла от полупроводникового лазера и способствует повышению светового потока излучения за счет увеличения выходной мощности осветительного устройства и сохранению надежности одноволоконного эндоиллюминатора.

Технический результат достигается также тем, что имеется коннектор, в его осевом центральном пазе находится проксимальная часть зонда с упомянутым оптическим волокном и имеется возможность центрированного крепления коннектора с корпусом полупроводникового лазера. С помощью предложенных крепежных элементов достигается центрирование упомянутого плоского торца широкоапертурного одножильного оптического волокна относительно излучающей поверхности полупроводникового лазера.

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

Технический результат достигается также тем, что упомянутое 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 тем же или не меньшим значением числовой апертуры.

Технический результат достигается также тем, что полупроводниковым лазером является диодный лазер на основе нитридов галлия-индия-алюминия, излучающий в синей области видимого спектра в диапазоне длин волн 445-475 нм при работе диодного лазера, а 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 находится 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 любые люминофоры, поглощающие синий свет накачки, например алюмоиттриевый 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 находящейся на диафрагме поверхности, размещен отражатель в виде чаши параболоида или гиперболоида, причем излучающая поверхность люминофора расположена в фокусе отражателя, тем самым свет люминофора, напрямую не попадающий в угол апертуры 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 одноволоконного эндоскопического иллюминатора (эндоиллюминатора) 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 фиг. 1-5.

На Фиг. 1 последовательно изображены основные части предлагаемого одноволоконного эндоиллюминатора.

На Фиг. 2 изображен общий вид предлагаемого одноволоконного эндоиллюминатора (в сборе).

На Фиг. 3 схематически изображена сборка элементов осветительного устройства с проксимальной частью зонда одноволоконного эндоиллюминатора.

На Фиг. 4 представлено фото частей одноволоконного эндоиллюминатора, а именно осветительного устройства в рабочем состоянии и зонда без коннектора.

На Фиг. 5 представлено фото одноволоконного эндоиллюминатора в рабочем состоянии.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - осветительное устройство

2 - коннектор

3 - зонд

4 - оптическое волокно, широкоапертурное одножильное

5 - наконечник

6 - оболочка оптического волокна

7 - диодный лазер

8 - теплоотвод

9 - корпус

10 - крепежная прижимная гайка

11 - диафрагма

12 - крепежный элемент (с диафрагмой 11)

13 - активный элемент

14 - токовый вывод диодного лазера

Варианты осуществления изобретения

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 одноволоконный эндоиллюминатор (см. Фиг. 1 и 2) состоит из осветительного устройства 1, зонда 3 с широкоапертурным одножильным оптическим волокном 4, далее называемым оптическим волокном 4, с коннектором 2 на его проксимальном конце для соединения с осветительным устройством 1. На его дистальном конце помещен наконечник 5. Осветительное устройство 1 одноволоконного эндоиллюминатора содержит торцевой диодный лазер 7 (см. Фиг. 3), смонтированный на стандартный SOT-148 теплоотвод 8 (возможна замена, например, на также стандартные теплоотводы ТО-5, ТО-18), с токовыми выводами 14, установленные в корпусе 9. Крепежная прижимная гайка 10 закреплена в корпусе 9 со стороны вывода излучения для дополнительной фиксации теплоотвода 8 диодного лазера 7. На корпусе 9 со стороны вывода излучения закреплен крепежный элемент 12 с диафрагмой 11, центрировано расположенной по отношению к излучающей поверхности диодного лазера 7. На противоположной поверхности диафрагмы 11 центрировано помещен активный элемент 13. Он состоит из подложки, одной поверхностью прикрепленной к поверхности диафрагмы 11, и люминофора, нанесенного на свободную поверхность подложки.

Со стороны проксимального конца широкоапертурного одножильного оптического волокна 4 выполнен плоский торец, перпендикулярный его оси. Для центрирования торца оптического волокна 4 относительно элементов осветительного устройства 1, а именно излучающей плоскости диодного лазера 7, диафрагмы 11, поверхности люминофора, введен коннектор 2, соединенный с крепежным элементом 12 диафрагмы 11.

В данной модификации использован полупроводниковый торцевой диодный лазер 7 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±20 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 4 выбрано оптическое волокно диаметром 300±50 мкм с числовой апертурой 0,5.

Расстояние между излучающей поверхностью диодного лазера 7 и плоским торцом оптического волокна 4 выполнено равным сумме толщин диафрагмы 11 (500±50 мкм) и активного элемента 13 (250±50 мкм). Итого 750±100 мкм. Диаметры люминофора активного элемента 12 и отверстия диафрагмы 11 выбраны не более диаметра плоского торца проксимального конца оптического волокна 4, а именно 300±50 мкм.

Одноволоконный эндоиллюминатор работает следующим образом. Внешний вид работающего отдельно осветительного устройства показан на Фиг. 4. Корпус 9 осветительного устройства 1 соединен с проксимальным концом оптического волокна 4 зонда 3 одноволоконного эндоиллюминатора посредством коннектора 2. Внешний вид работающего одноволоконного эндоиллюминатора показан на Фиг. 5. Для проведения измерений и тестирования токовые выводы 14 осветительного устройства 1 подсоединяют к источнику тока накачки (на чертежах не показан). После подачи тока накачки и начала генерации излучение диодного лазера 7, пройдя отверстие диафрагмы 11, попадает через прозрачную подложку активного элемента 13 на люминофор. В люминофоре часть света накачки поглощается с преобразованием в спонтанное излучение. Часть излучения накачки, претерпевая рассеяние на микрокристаллах люминофора, проходит через него, смешиваясь с излучением самого люминофора. Результирующее излучение падает на плоский торец оптического волокна 4, а та его часть, которая соответствует числовой апертуре оптического волокна 4, в дальнейшем распространяется по оптическому волокну 4 от проксимального конца зонда 3 одноволоконного эндоиллюминатора и выходит из его дистального конца из наконечника 5.

Нами обеспечен максимальный ввод спонтанного излучения в торец проксимального конца оптического волокна в соответствии с его числовой апертурой 0,5. Получено повышение коэффициента ввода спонтанного излучения люминофора в оптические волокна малого диаметра, равного 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. Полученные параметры привели к увеличению эффективности работы одноволоконного эндоскопического иллюминатора (эндоиллюминатора).

В следующей модификации одноволоконного эндоиллюминатора было использовано оптическое волокно диаметром, равном 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 также в 5 раз.

Следующая модификация одноволоконного эндоиллюминатора отличалась от предыдущих тем, что оптическое волокно 4 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 чертежах не показано) с тем же значением числовой апертуры, что для оптического волокна 4, помещенного в зонд 3, в соответствии с первой модификацией.

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

В следующей аналогичной модификации оптическое волокно 4 имеет длину 299±1 мм с оптическим разъемом на его дистальном конце.

Получено повышение коэффициента ввода спонтанного излучения люминофора в данное оптическое волокно в 3 раза. Световой поток на выходе из одноволоконного эндоиллюминатора составил 49 люмен, что превысило значения на известных лучших устройствах на светодиодах в 3 раза. Некоторое снижение общего коэффициента ввода обусловлено потерями на оптическом разъеме SMA широкоапертурного волокна. 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 между выходной гранью диодного лазера 7 и активным элементом 12 преобразователя излучения установлена одна линза (на чертежах не показана) для снижения размеров пятна луча диодного лазера 7, падающего на поверхность раздела между прозрачной для лазерного излучения подложкой и люминофором. Расстояние между излучающей поверхностью диодного лазера 7 и плоским торцом оптического волокна 4 не увеличено, так как линза помещена в диафрагме 11.

Следующая модификация одноволоконного эндоиллюминатора отличалась от предыдущих тем, что между выходной гранью диодного лазера 7 и активным элементом 12 преобразователя излучения установлена оптическая система линз для снижения размеров пятна луча диодного лазера 7, падающего на поверхность раздела между прозрачной для лазерного излучения подложкой и люминофором, что позволило повысить коэффициент ввода спонтанного излучения люминофора в волокна малого диаметра. Расстояние между излучающей поверхностью диодного лазера 7 и плоским торцом оптического волокна 4 увеличено на величину рабочего отрезка оптической системы линз.

Следующая модификация одноволоконного эндоиллюминатора отличалась от предыдущих тем, что в качестве диодного лазера 7 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 в качестве диодного лазера 7 используется лазер, излучение которого поглощается люминофором, и люминофор, преобразующий 80% излучения лазера в свет спонтанного излучения люминофора.

Следующая модификация одноволоконного эндоиллюминатора отличалась от предыдущих тем, что диодным лазером 7 является полупроводниковый лазер с вертикальным выводом излучения.

В следующих модификациях в качестве люминофора был выбран любой люминофор, поглощающий синий свет накачки, например галлий-гадолиниевый гранат, или иттрий-алюминиевый 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 использовали 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 были размещены или параболический, или гиперболический отражатель, причем люминофор расположен в фокусе отражателя. Тем самым, свет люминофора, напрямую не попадающий в угол апертуры волокна, отражаясь от поверхности отражателя, меняет свое направление и попадает в угол апертуры волокна.

Предложенные оригинальное осветительное устройство и его соединение с проксимальным концом широкоапертурного одножильного оптического волокна зонда позволили получить одноволоконный эндоскопический иллюминатор (эндоиллюминатор) с увеличенной эффективностью его работы за счет повышения коэффициента ввода спонтанного излучения люминофора в волокна малого диаметра и, соответственно, повышенного 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 (17)

1. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор, содержащий осветительное устройство, включающее последовательно и центрировано относительно друг друга находящиеся полупроводниковый лазер с возможностью отвода тепла, диафрагму, расположенную в непосредственной технологически допустимой близости к излучающей поверхности полупроводникового лазера при его работе, активный элемент преобразователя излучения, представляющий находящуюся на диафрагме одной своей поверхностью подложку из прозрачного для излучения полупроводникового лазера материала с нанесенным на противоположную поверхность подложки люминофором, и также содержащий зонд с широкоапертурным оптическим волокном, далее называемое оптическим волокном, имеющим на проксимальном конце плоский торец, перпендикулярный оптической оси оптического волокна, находящийся в непосредственной технологически допустимой близости к поверхности люминофора, излучающего при работе осветительного устройства, причем размер люминофора не превышает диаметра оптического волокна и не менее размеров пятна луча полупроводникового лазера, проецируемого при работе устройства на поверхность раздела между подложкой и люминофором, и содержащий крепежные элементы, в том числе для центрирования упомянутого торца оптического волокна относительно излучающей поверхности упомянутого полупроводникового лазера,

2. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковый лазер имеет торцевой вывод излучения.

3. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковый лазер имеет вертикальный вывод излучения.

4. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор по любому из пп. 2 или 3, отличающийся тем, что полупроводниковый лазер представляет собой диодный лазер.

5. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор по п. 1, отличающийся тем, что между выходной гранью полупроводникового лазера и активным элементом преобразователя излучения установлена одна линза.

6. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор по п. 1, отличающийся тем, что между выходной гранью полупроводникового лазера и активным элементом преобразователя излучения установлена оптическая система линз.

7. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор по п. 1, отличающийся тем, что диаметр отверстия диафрагмы достаточен для прохождения через него более 99% мощности излучения при работе полупроводникового лазера.

8. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор по п. 1, отличающийся тем, что толщина люминофора должна быть достаточной для преобразования не менее 30% излучения полупроводникового лазера при работе осветительного устройства.

9. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковый лазер находится на теплоотводе, а сам теплоотвод - в корпусе с возможностью их жесткого крепления относительно друг друга.

10. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор по п. 1, отличающийся тем, что имеется коннектор, в его осевом центральном пазе находится проксимальная часть зонда с упомянутым оптическим волокном и имеется возможность центрированного крепления коннектора с корпусом полупроводникового лазера.

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

12. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор по п. 1, отличающийся тем, что оптическое волокно имеет длину от 3 мм до 300 мм и на дистальном конце оканчивается оптическим разъемом для возможности подсоединения следующего аналогичного широкоапертурного одножильного оптического волокна с тем же или не меньшим значением числовой апертуры.

13. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковый лазер выполнен на основе нитридов галлия-индия-алюминия с возможностью излучения в синей области видимого спектра в диапазоне длин волн 445-475 нм, при этом 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.

14. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор по п. 13, отличающийся тем, что люминофором является порошок алюмоиттриевого граната, легированного церием.

15. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор по п. 13, отличающийся тем, что люминофором является порошок галлий-гадолиниевого граната, легированного церием.

16. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор 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.

17. Одноволоконный эндоскопический иллюминатор 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