DE19742973A1 - Optisches System für elektronische Endoskope - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System für elektroni­ sche Endoskope, und spezieller betrifft sie die Konfigura­ tion optischer Elemente, wie sie zum Beleuchten des Inneren von Objekten verwendet wird, die mittels eines Lichtleiters zu betrachten sind, wobei Bilder des Inneren der Objekte be­ trachtet werden, wie sie durch eine Bildaufnahmevorrichtung mittels eines optischen Objektivsystems aufgenommen werden.

Ein elektronisches Endoskop beleuchtet das Innere eines zu betrachtenden Objekts mit Strahlung, wie sie durch aus opti­ schen Faserbündeln bestehende Lichtleiter von der Spitze desselben abgestrahlt wird, und es nimmt ein Bild des zu betrachtenden Objekts, wie durch ein optisches Objektivsys­ tem erfaßt, mittels einer Bildaufnahmevorrichtung auf. Bei einem derartigen elektronischen Endoskop sind z. B. zwei Lichtleiter zu einer Vorderendfläche geführt, und das opti­ sche Objektivsystem ist so zwischen den zwei Lichtleitern angeordnet, daß das Bild des beleuchteten Inneren des zu betrachtenden Objekts in günstiger Weise aufgenommen wird.

Da die Spitze des obenbeschriebenen elektronischen Endoskops in einen zu betrachtenden Ort, wie einen engen Körperhohl­ raum, eingeführt wird, ist es erforderlich, die Spitze (den Einführabschnitt) dünn auszubilden, und in der Praxis wird so vorgegangen, daß auch die obengenannten Lichtleiter dünn ausgebildet werden und ihre Anordnung speziell ausgebildet wird. Für günstige Beobachtbarkeit ist es jedoch erforder­ lich, einen hellen Beleuchtungslichtstrahl zu erzielen, und dahingehend ist es nicht von Vorteil, die Lichtleiter über­ mäßig dünner auszubilden.

Ferner besteht bei einem derartigen Endoskop ein Problem da­ hingehend, daß es relativ schwierig ist, einen Ort, dessen Bild durch das optische Objektivsystem aufzunehmen ist, ent­ weder ungleichmäßig oder gleichmäßig zu beleuchten. Anders gesagt, werden, wenn zwei Lichtleiter verwendet werden, wie oben beschrieben, Lichtstrahlen von diesen Lichtleitern mit­ einander an einem vorbestimmten Ort überlappt, wodurch Be­ leuchtungsungleichmäßigkeiten in einem Randabschnitt des Orts entstehen. Wenn ein einzelner Lichtleiter verwendet wird, fällt der Lichtstrahl, streng gesprochen, schräg auf den zu beleuchtenden Ort auf, wodurch Beleuchtungsungleich­ mäßigkeiten erzeugt werden, die ähnlich denen in einem Rand­ abschnitt an diesem Ort sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Sys­ tem für elektronische Endoskope zu schaffen, das dünne Spit­ zen der Endoskope ermöglicht und Beleuchtungsungleichmäßig­ keiten so weit wie möglich beseitigt.

Diese Aufgabe ist durch das optische System gemäß dem beige­ fügten Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.

Bei der Konfiguration gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 werden Strahlen, wie sie von einer Lichtquelle emittiert werden und aus dem Lichtleiter austreten, durch das optische Optikpfad-Kopp­ lungselement in das optische Objektivsystem eingeführt, und Beleuchtungsstrahlen werden von diesem optischen Objek­ tivsystem zum zu betrachtenden Objekt übertragen. Anderer­ seits wird ein Bild des Inneren des zu betrachtenden Objekts durch das optische Objektivsystem erfaßt, und Abbildungs­ strahlen werden über das optische Optikpfad-Kopplungselement an die Bildaufnahmevorrichtung geliefert, und an der Bild­ aufnahmeoberfläche der Bildaufnahmevorrichtung erfolgt eine Abbildung. Bei einer derartigen Konfiguration sind das opti­ sche Objektivsystem und der Lichtleiter konzentrisch in der Spitze des Endoskops angeordnet, wodurch der Vorteil ge­ schaffen ist, daß die Spitze dünn ausgebildet werden kann.

Gemäß Anspruch 3 ist eine Diffusionsplatte vorhanden, die verhindert, daß das Bild der Endflächenform des Lichtlei­ ters, der aus mehreren zusammengefaßten optischen Fasern besteht, in umgekehrter Richtung auf die Bildaufnahmevor­ richtung projiziert wird.

Wenn die optischen Fasern gemäß Anspruch 4 angeordnet sind, ist die Lichtmenge am Außenumfang größer als im Zentrum, wo­ durch es möglich ist, eine gleichmäßige Beleuchtung dadurch zu erzielen, daß das Problem unzureichender Lichtmenge am Außenumfang überwunden ist. Anders gesagt, ist der Mangel überwunden, daß der Außenumfang selbst dann dunkler ist, wenn gleichmäßige und wirkungsvolle Beleuchtungsbedingungen dadurch erzielt werden, daß der beleuchtete Bereich mit dem betrachteten Bereich zusammenfällt. Daher ist die Erfindung so aufgebaut, daß gleichmäßige Beleuchtungsbedingungen da­ durch erzielt werden, daß die Lichtmenge im Außenumfangs­ abschnitt erhöht wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen der Kon­ figuration eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemä­ ßen optischen Systems für elektronische Endoskope;

Fig. 2 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen der Anordnung optischer Fasern an einer Endfläche eines in Fig. 1 darge­ stellten Lichtleiters;

Fig. 3 ist eine geschnittene Seitenansicht, die den Aufbau der Spitze eines elektronischen Endoskops gemäß einem Aus­ führungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die die Vorderendfläche der in Fig. 3 dargestellten Spitze veranschaulicht; und

Fig. 5 ist eine Rückansicht der in Fig. 3 dargestellten Spitze.

Wie eben angegeben, ist in den Fig. 1 und 2 ein optisches System dargestellt, wohingegen die Konfiguration einer Spit­ ze eines elektronischen Endoskops in den Fig. 3 bis 5 veran­ schaulicht ist. Gemäß Fig. 3 sind Elemente eines optischen Objektivsystems (Endoskoprohr) 12 in einer Spitze 10 in einem Zustand angeordnet, in dem sie durch ein Halteelement 11 gehalten sind. Zu diesen Elementen des optischen Objek­ tivsystems gehören nicht nur eine Objektivlinse, sondern auch eine Blende, ein Filter usw. An einer Vorderendfläche der Spitze 10 sind, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, eine Luftzuführungs-/Wasserzuführungsdüse 13 und eine Pinzetten­ öffnung 14 angeordnet, wobei die Luftzuführungs-/Wasserzu­ führungsdüse 13 dazu verwendet wird, Luft und Waschwasser einem Beobachtungsfenster der Elemente 12 des optischen Ob­ jektivsystems zuzuführen.

Die Pinzettenöffnung 14 ist mit einem in Fig. 3 dargestell­ ten Behandlungswerkzeug-Einführungskanal 15 verbunden, damit verschiedene Arten von Behandlungswerkzeugen, wie Pinzetten, über diesen Kanal aus der Pinzettenöffnung 14 herausgeführt werden können.

In Fig. 3 ist ein rechtwinkliges Prisma 17 optisch als opti­ sches Optikpfad-Kopplungselement mit der Rückseite der Ele­ mente 12 des optischen Objektivsystems verbunden, und ein CCD 18 ist als Bildaufnahmevorrichtung optisch mit der unte­ ren Seite des Prismas 17 verbunden. Das CCD 18 ist in einem CCD-Gehäuse 20 untergebracht und angeschlossen, das dicht durch eine Abdeckungs-Glasplatte 19 verschlossen ist, die auf die Unterseite des Prismas 17 aufzementiert ist. Auf dem CCD-Gehäuse 20 ist ein Verdrahtungsmuster ausgebildet, und über dieses ist eine Signalleitung 21 für externen Anschluß angeschlossen.

An der Rückseite des Prismas 17 ist ein Lichtleiter 23 ange­ ordnet, und ein von einer Lichtquelle emittierter Lichtquel­ lenstrahl fällt vom Lichtleiter 23 auf das Prisma 17. An der Rückseite (schräge Fläche) des Prismas 17 ist ein halbdurch­ lässiger Spiegelfilm 17A ausgebildet, wie es in Fig. 1 dar­ gestellt ist, um dadurch einen optischen Reflexionspfad (op­ tische Achse 101) auszubilden, der Strahlen von den Elemen­ ten 12 des optischen Objektivsystems (optische Achse 100) rechtwinklig zum CCD 18 und einem gerade durchgehenden opti­ schen Pfad (optische Achse 102) reflektiert, durch den Strahlen von der Rückseite des Prismas 17 zu den Elementen 12 des optischen Objektivsystems durchgehen.

Ferner sind eine Diffusionsplatte 24 und eine Kondensorlinse 25 zwischen der Vorderseite des Lichtleiters 23 und der Rückseite des Prismas 17 angeordnet: die Diffusionsplatte 24 weist eine Fläche auf, die wie diejenige einer geschliffenen Glasplatte (mattierte Glasplatte) ausgebildet ist, so daß ein Bild der Form des Faserbündels in der Endfläche des Lichtleiters 23 nicht rückwärts auf das CCD 18 projiziert wird. Die Kondensorlinse 25 ist vorhanden, damit der Licht­ quellenstrahl in einen optischen Pfad eingeführt werden kann, der mit dem durch die Elemente 12 des optischen Objek­ tivsystems gebildeten optischen Betrachtungspfad überein­ stimmt. Die optische Achse 102 des Lichtleiters 23, der Dif­ fusionsplatte 24 und der Kondensorlinse 25 ist so angeord­ net, daß sie mit der optischen Achse 100 der Elemente 12 des optischen Objektivsystems ausgerichtet ist.

Ferner ist der beim Ausführungsbeispiel verwendete Lichtlei­ ter 23 so konzipiert, daß optische Fasern im Außenumfangs­ abschnitt desselben mit höherer Dichte angeordnet sind, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Anders gesagt, ist das den Lichtleiter 23 aufbauende optische Faserbündel in einen zen­ tralen Bereich 23A und einen Außenumfangsbereich 23B unter­ teilt, und Blindleitungen (geradlinige Materialien, die kei­ ne optische Fasern oder unterbrochene und unwirksame opti­ sche Fasern oder dergleichen sind), die durch schwarze Punk­ te repräsentiert sind, sind im zentralen Bereich 23A zwi­ schen durch weiße Punkte repräsentierte optische Fasern an­ geordnet, wohingegen im Außenumfangsbereich 23B nur durch weiße Punkte repräsentierte optische Fasern angeordnet sind. Die Anordnungsdichte kann dadurch variiert werden, daß an­ dere Anordnungsarten ausgewählt werden, z. B. eine lockere Anordnung mit optischen Fasern mit Zwischenräumen im zentra­ len Bereich 23A und eine dicht gepackte Anordnung im Außen­ umfangsbereich 23B.

Nachfolgend erfolgt eine kurze Beschreibung zum Ausführungs­ beispiel der Erfindung mit dem obenbeschriebenen Aufbau. Die obenbeschriebenen Elemente 12 des optischen Objektivsystems sorgen für einen Betrachtungswinkel α (z. B. 120°) zum darin ausgebildeten optischen Pfad, wie in Fig. 1 dargestellt. Strahlen, wie sie von der Lichtquelle durch den Lichtleiter 23 ausgegeben werden, durchlaufen die Diffusionsplatte 24 und werden durch die Kondensorlinse 25 gebündelt; dabei kann nur eine vorbestimmte Menge von Strahlen durch den halb­ durchlässigen Spiegelfilm 17A auf der Rückseite des Prismas 17 laufen und auf die Elemente 12 des optischen Objektivsys­ tems fallen (102 → 100). Demgemäß läuft diese Menge von Strahlen durch den in den Elementen 12 des optischen Objek­ tivsystems ausgebildeten optischen Pfad, und sie können als Beleuchtungsstrahlen innerhalb eines Bereichs austreten, der mit dem obenangegebenen Betrachtungswinkel α übereinstimmt, um dadurch ein optimales Beleuchtungsmuster zu liefern.

Andererseits wird ein Bild des beleuchteten Inneren des zu betrachtenden Objekts durch die Elemente 12 des optischen Objektivsystems unter dem Betrachtungswinkel α aufgenommen, und Abbildungsstrahlen werden durch einen optischen Pfad zum Prisma 17 geführt, der mit demjenigen für die Beleuchtungs­ strahlen übereinstimmt, und eine vorbestimmte Menge der Ab­ bildungsstrahlen wird durch das Prisma 17 (den halbdurchläs­ sigen Spiegelfilm 17A) rechtwinklig reflektiert (100 → 101) Demgemäß wird das Bild des Inneren des zu betrachtenden Ge­ genstands auf der Bildaufnahmefläche 18A der Bildaufnahme­ vorrichtung 18 erzeugt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.

Bei der obenbeschriebenen Beleuchtungs- und Bildaufnahmevor­ richtung wirkt die Diffusionsplatte 24 durch ihre Diffusi­ onsfläche so, daß sie verhindert, daß das Bild der Form des optischen Faserbündels an der Endfläche des Lichtleiters 23 rückwärts auf die Bildaufnahmefläche 18A projiziert wird. Ferner ist, da die optischen Fasern im Außenumfangsbereich 23B des Lichtleiters 23 mit höherer Dichte angeordnet sind, wie es bereits unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wur­ de, die Menge der aus dem Außenumfangsabschnitt austretenden Strahlen größer als diejenige der aus dem zentralen Ab­ schnitt austretenden Strahlen, wodurch verhindert ist, daß die Menge der Beleuchtungsstrahlen im Außenumfangsabschnitt unzureichend ist. Anders gesagt, besteht aufgrund der Eigen­ schaften einer Linse, wie des Ausweitens von Strahlen, wenn ein zu betrachtendes, wenig entferntes Objekt beleuchtet wird, die Tendenz einer Abdunklung des Außenumfangsab­ schnitts, jedoch ist es möglich, das Objekt insgesamt mit gleichmäßiger Strahlung dadurch zu beleuchten, daß die An­ ordnungsdichte entsprechend der Tendenz einer Abdunklung er­ höht wird.

Ferner liefert das obenbeschriebene Ausführungsbeispiel, bei dem die Elemente 12 des optischen Objektivsystems nicht par­ allel, sondern in Reihe mit dem Lichtleiter 23 in der Spitze 10 angeordnet sind, den Vorteil, daß es das herkömmliche Erfordernis eines Raums zum Anordnen eines Lichtleiters be­ seitigt, wodurch es ermöglicht ist, die Spitze 10 dünner auszubilden.

Zwar ist beim obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel das CCD 18 unter dem Prisma 17 angeordnet, und der Lichtleiter 23 ist an der Rückseite des Prismas 17 angeordnet, jedoch ist es möglich, diese Positionsbeziehung umzukehren, oder der Lichtleiter 23 kann unter dem Prisma 17 angeordnet sein, und das CCD 18 kann an der Rückseite des Prismas 17 angeordnet sein.

Wie es aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, ermöglicht es das erfindungsgemäße optische System für elek­ tronische Endoskope, bei dem das optische Optikpfad-Kopp­ lungselement, das für Halbdurchlässigkeit ausgebildet ist, an der Rückseite des optischen Objektivsystems angeordnet ist, und der optische Betrachtungspfad für dieses optische Objektivsystem auch als optischer Pfad für Beleuchtungs­ strahlen verwendet i:st, das optische Objektivsystem in Reihe mit dem Lichtleiter anzuordnen, was es ermöglicht, die Spit­ zen elektronischer Endoskope dünn auszubilden.

Claims (4)

1. Optisches System für elektronische Endoskope, gekenn­ zeichnet durch:

• - ein optisches Objektivsystem (12) zum Erfassen eines Bilds eines zu betrachtenden Objekts;
• - ein optisches Optikpfad-Kopplungselement (17), das an der Rückseite des optischen Objektivsystems angeordnet ist und halbdurchlässig ausgebildet ist, um einen optischen Refle­ xionspfad auszubilden, in dem Strahlen in einer Richtung entlang der optischen Achse des optischen Objektivsystems nahezu rechtwinklig oder rechtwinklig abgelenkt werden, so­ wie eines gerade durchgehenden optischen Pfads, durch den Strahlen in der Richtung entlang der optischen Achse des optischen Objektivsystems gerade hindurchlaufen;
• - eine Bildaufnahmevorrichtung (18), die optisch sowohl mit dem optischen Reflexionspfad als auch dem gerade durchlau­ fenden optischen Pfad, wie durch das genannte optische Op­ tikpfad-Kopplungselement erzeugt, verbunden ist; und
• - einen Lichtleiter (23), der optisch mit dem anderen opti­ schen Pfad verbunden ist und aus optischen Fasern besteht.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß als optisches Optikpfad-Kopplungselement ein rechtwinkliges Prisma (17) verwendet ist, auf dessen schrä­ ger Fläche ein halbdurchlässiger Film (17A) ausgebildet ist.

3. Optisches System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diffusionsplatte (24) zum Streuen von Strahlen zwischen dem Lichtleiter (23) und dem optischen Optikpfad-Kopplungselement (17) angeordnet ist.

4. Optisches System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß optische Fasern am Außenumfang (23B) des Lichtleiters (23) mit höherer Dichte als in dessen Zentrum (23A) angeordnet sind.