DE2849336C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bildübertragungssystem mit Faseroptik und betrifft eine Einrichtung zur dynamischen Bild­ verbesserung bei der Übertragung von Bildern über optische Fa­ serbündel, mit einem das ankommende Bild von der Bildeintritts­ fläche des optischen Faserbündels abtastenden und ablenkenden optischen Glied, das in einem Permanentmagneten gehaltert ist und durch eine Magnetspule in Schwingungen um eine senkrecht zu der Bildübertragungsachse liegenden Schwenkachse versetzbar ist.

Eine derartige Einrichtung ist in der nicht vorveröffentlichten DE-OS 28 43 692 beschrieben. Die Methoden der dynamischen Bildverbesserung sind allgemein geeignet, den Einfluß von Män­ geln auszuschalten, die sich bei der Herstellung oder Handha­ bung von optischen Faserbündeln einstellen können. Derartige Mängel, wie unterschiedliche Packungsdichte der Fasern infolge von Unterschieden der Faserkerndurchmesser und der Manteldicke oder Unterbrechungen von Fasern infolge Bruchs oder Einschlus­ ses von Fremdkörpern, sind in gewissem Umfang unvermeidbar und führen zu Differenzen zwischen dem am Eintrittsende des Faser­ bündels eingeleiteten und dem am Austrittsende austretenden Bilde, insbesondere bei sehr langen oder zusammengesetzten Fa­ serbündeln.

Bei der zur Ausübung einer dynamischen Bildverbesserung be­ stimmten Einrichtung nach DE-OS 28 43 692 ist das ablenkende und abtastende optische Glied als um eine Schwenkachse schwin­ gende planparallele Platte ausgebildet. Die Platte ruft z. B. eine periodische Ablenkung der aus dem am distalen Ende eines Endoskops zugeordneten Objektivsystems austretenden Abbildungs­ strahlen hervor, die auf der in Lichtfortpflanzungsrichtung hinter der schwingenden planparallelen Platte befindlichen Ein­ trittsfläche des optischen Faserbündels fokussiert werden.

Soll eine derartige Einrichtung mit einem medizinischen Endo­ skop verbunden werden, so ist es entscheidend wichtig, eine möglichst gerdrängte Bauweise zu erreichen. Zur Herbeiführung eines bestimmten Ausmaßes der Strahlablenkung muß die als strahlenbrechendes Element wirkende planparallele Platte um einen bestimmten Winkel verschwenkt werden. Wenn ohne Wechsel der Glasart der Platte eine größere Ablenkweite erzielt werden soll, muß entweder der Schwenkwinkel der Platte vergrößert oder die Platte selbst dicker und damit schwerer ausgeführt werden; dem können die Raumverhältnisse am Endoskop oder Schwierigkei­ ten bei der Dimensionierung von Permanentmagnet und Antriebs­ spule entgegenstehen.

Daraus ergibt sich die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine ausreichend große Bildverschiebung bei besonders kleiner Schwingungsweite und geringer Baulänge des schwingenden opti­ schen Gliedes zu erreichen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Aufbau des ablenkenden und abtastenden optischen Gliedes gelöst, wie er im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschrieben ist.

Die Ablenkwirkung einer lichtleitenden optischen Faser be­ stimmter Länge ist größer als die durch Brechung herbeigeführ­ te Ablenkung einer planparallelen Glasplatte von mit der Länge der optischen Faser übereinstimmender Dicke. Das bedeutet, daß zur Erzielung einer bestimmten Bildverschiebung das erfin­ dungsgemäß optische Glied weniger weit verschwenkt werden muß als eine gleichwirkende Planparallelplatte. Ein weiterer Vor­ teil besteht darin, daß durch die Bildung einer dem Abbil­ dungsobjektiv näher gerückten faseroptischen Auffangfläche in Form des distalen Endes des ablenkenden und abtastenden opti­ schen Gliedes mit kürzeren Objektivbrennweiten und (bei gleich­ bleibendem Abbildungsmaßstab) kürzeren Gegenstandsweiten gear­ beitet werden kann.

Besonders zweckmäßig kann es sein, mindestens eine der Begren­ zungsflächen des ablenkenden und abtastenden Gliedes symme­ trisch zu der Bildübertragungsachse gewölbt oder geknickt, je­ denfalls nicht-eben auszuführen und unter Umständen der dieser Fläche gegenüberstehenden Bildeintrittsfläche des optischen Fa­ serbündels eine entsprechend gewölbte Gestalt zu geben. Zwi­ schen dem Abbildungsobjektiv und dem optischen Glied kann eine Einrichtung zur Ebene des Bildfeldes angeordnet sein. Die Verwendung einer Immersionsflüssigkeit zwischen dem optischen Glied und der Bildeintrittsfläche des optischen Faserbündels kann vorteilhaft sein.

Die Methode der dynamischen Bildverbesserung ist bereits in Journal of the Optical Society of America, Band 47, Nr. 5, Mai 1957, Seiten 423 bis 427, beschrieben. Prinzipiell sind in ei­ ner bildübertragenden Faserleitung die Einzelfasern so angeord­ net, daß jeder Punkt des geometrischen Musters eines eintreten­ den Bildes von einer bestimmten Faser an den genau entsprechen­ den Punkt im geometrischen Muster des austretenden Bildes über­ tragen wird. Dabei läßt sich die störende Wirkung beschädigter oder fehlerhaft angeordneter Einzelfasern dadurch ausschalten, daß durch optische Mittel an der Eintrittsfläche des Faserbün­ dels periodische Bildverschiebungen hervorgerufen werden, die durch gleichwirkende optische Mittel an der Austrittsfläche des Faserbündels kompensiert werden; es ergibt sich ein stationäres Bild, in welchem ein Einfluß fehlerhafter Einzelfasern nicht mehr erkennbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische, überwiegend als Schnittfi­ gur gezeichnete Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Ansicht aus der Position der Linie 2-2 in Fig. 1 mit Blick in Richtung der Pfeile;

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform des Bildaus­ trittsendes der Einrichtung zur dynamischen Bildverbesserung nach Fig. 1;

Fig. 4, 5, 6 und 7 schematische Darstellungen weiterer erfindungsgemäßer Ausführungsformen.

Der grundsätzliche Aufbau eines bildübertragenden optischen Faserbündels (Fiberskop) ist an sich bekannt. Gemäß Fig. 1 besitzt ein Fiberskop 10 ein flexibles Bündel 12 lichtleiten­ der optischer Fasern 14, die eine Bildeintrittsfläche 16 und eine Bildaustrittsfläche 18 bilden. Korrespondierende Faser­ enden bilden jeweils in den Flächen 16 und 18 miteinander übereinstimmende geometrische Muster; die Bildübertragung er­ folgt durch Totalreflexion des Lichts an den Innenwänden der Einzelfasern.

Zur Verbesserung der durch das Fiberskop 10 übertragenen Bilder wird ein dynamisches Abtasten der Bildeintritts- bzw. Bildaus­ trittsflächen 16 bzw. 18 in folgender Weise ausgeübt:

In der Nähe der Bildeintrittsfläche 16 am distalen Ende des Fa­ serbündels 12 wird eine wechselstrombetriebene Magnetspule 20 koaxial zu dem Faserbündel festgeklebt oder auf andere geeig­ nete Weise befestigt.

Vor der Magnetspule 20 (von dem abzubildenden Gegenstand aus gesehen) ist ein Permanentmagnet 22 angeordnet, der um eine Achse 24 (vgl. Fig. 2) schwenkbar ist; diese Achse steht senk­ recht auf der Achse 26 des Faserbündels (vgl. Fig. 1). Der Ma­ gnet 22 ist quermagnetisiert, wie in den Fig. 1 und 2 durch die Magnetpol-Symbole N und S angedeutet. Die Schwenkanord­ nung ist vorzugsweise als Lagerung in Steinen 28 ausgebildet, in denen Schwenkstifte 30 aufgenommen sind. Die Stifte 30 sind mit einer in Fig. 2 angedeuteten Halteanordnung 32 des Fiberskops fest verbunden. Die Halteranordnung 32 kann Teil einer üblichen Fiberskopumkleidung sein.

Wenn die Magnetspule 20 unerregt ist, wird der Magnet 22 pa­ rallel zu der Fläche 16 des Bündels 12 durch nicht gezeichnete Federn gehalten, die in Aufbau und Wirkung den Federn 34 a am Bildaustrittsende des Fiberskops entsprechen. Die Federn am Bildeintrittsende ermöglichen ein Kippen des Magneten 22 nach vorn oder hinten relativ zu der Bildeintrittsfläche 16 des optischen Faserbündels, sobald Nord- oder Südpol wechselweise eine elektrische Anziehung durch die wechselstromerregte Ma­ gnetspule 20 erfahren. Auf diese Weise wird dem Magneten 22 eine harmonische Schwingung um seine Achse 24 mit einer der Wechselstromfrequenz des durch die Leiter 21 zugeführten Er­ regerstroms entsprechenden Frequenz erteilt. Anstelle von Fe­ dern können zwischen Magnet und Spule auch andere federnde Bau­ teile, etwa nachgiebige Schaumstofflagen oder gleichwirkende Mittel gesetzt werden. Man kann den Magneten auch in eine tragende Ringblende aus flexiblem Material einbauen.

Im Inneren des Magneten 22 ist, fest mit diesem verbunden, ein abtastendes und ablenkendes optisches Glied 36 in Form eines kurzen Bündels aus parallelen optischen Fasern 38 angeordnet. Das optische Glied 36 wird im folgenden auch kurz als Abtaster bezeichnet, dessen wesentliche Funktion darin besteht, die Bilder über die Bildeintrittsfläche 16 des optischen Faser­ bündels 12 zu führen, wie weiter unten näher erläutert. Die optischen Fasern 38 sind miteinander verschmolzen oder werden in anderer Weise eng nebeneinanderliegend in Form eines ein­ heitlichen Körpers gehalten; sie bilden auf diese Weise eine starre Schirmplatte.

Eine Fläche 40 des Abtasters 36 steht der Bildeintrittsfläche 16 des optischen Faserbündels 12 gegenüber; zwischen den Flächen 40 und 16 verbleibt lediglich ein geringer Zwischen­ raum, der das ungehinderte Kippen des Magneten 22 um seine Achse 24 bei der Ausübung der Schwingbewegung ermöglicht. Nach Fig. 1 ist die Fläche 40 dachartig ausgeführt, wobei an den Dachrändern ein Freiraum für die Schwenkbewegung des Ab­ tasters 36 um die in der Firstlinie der Dachfläche liegende Schwenkachse 24 verbleibt.

Das optische Glied 36, das selbst einen faseroptischen Licht­ leiter nach Art des Faserbündels 12 darstellt, nimmt auf sei­ ner Lichteintrittsfläche 12 ein scharfes Bild des Gegenstands auf, das an der Bildaustrittsfläche 18 des optischen Faser­ bündels 12 erkennbar sein soll. Das eintretende Bild wird dadurch mit Hilfe des Abtasters in das optische Faserbündel 12 eingeleitet. Auf diese Weise kann ein Gegenstand, etwa ein Pfeil 46, mit Hilfe eines Objektivlinsensystems 44 mit ver­ hältnismäßig kurzer Brennweite auf das die Abtastung bewirken­ de optische Glied 36 abgebildet werden. Ein kurzbrennweitiges Abbildungssystem ermöglicht eine optimale Verringerung der Baulänge an dem distalen Ende des Fiberskops 10, was vor allem für die Verwendung in medizinischen Endoskopen zweckmäßig und wichtig ist.

Die Schwingbewegungen des Magneten 22 um die Achse 24 führen dazu, daß durch den Abtaster 36 geleitete Bilder abtastend, d. h. hin- und herlaufend, über die Bildeintrittsfläche 16 des optischen Faserbündels 12 des Fiberskops 10 bewegt werden. Eine Bildverlagerung von nur 0,1 bis 0,3 mm über die Fläche 16 eines üblichen Fiberskopbündels genügt bereits für die ange­ strebte Bildverbesserung. Ein etwaiger Verlust an Bildgüte infolge von Faserfehlern in dem faseroptischen Abtaster 36 selbst kann durch Verwenden von Fasern 38 mit geringerem Durchmesser, z. B. von 5 bis 7 µm, herabgesetzt werden, aber auch die geringe Länge des Abtasters 36 hält denkbare nachteilige Wirkungen auf das Fiberskopbild in engen Grenzen.

Die Länge des optischen Gliedes 36 ist durch den geforderten Betrag der Bildverschwenkung und den Winkelbetrag der Schwen­ kung um die Achse 24 bestimmt. Soll z. B. eine Gesamtbildab­ tastung von 0,2 mm unter Inanspruchnahme eines Schwenkwinkels von ±3° vorgenommen werden, so muß die Länge des Faserbündels in dem Abtaster 36 etwa 2 mm betragen. Bei diesen verhältnis­ mäßig kleinen Schwenkwinkeln ist an den Rändern des Abtasters 36 nur ein geringer Abstand von dem optischen Faserbündel 12 erforderlich. Die nach Fig. 1 vorgesehene dachartige Ausbil­ dung der Fläche 40 und die Länge des Abtasters 36 sind der Deutlichkeit halber übertrieben gezeichnet. Wenn eine Un­ schärfe des Bildes am Bildfeldrand infolge des Abstands zwi­ schen Abtaster 36 und Bündel 12 vermieden werden soll, kann dieser Zwischenraum mit einer auch als Schmiermittel dienenden und die Funktion einer Immersion ausübenden Flüssigkeit mit einem Brechungsindex von etwa 1,5 gefüllt werden.

An seinem der Bildeintrittsseite abgewandten, proximalen Ende trägt das Fiberskop 10 nach Fig. 1 eine Magnetspule 20 a, einen Magneten 22 a, ein als Abtaster wirkendes optisches Glied 36 a sowie Federn 34 a, die den gleichartigen Teilen 20, 22, 36 und den Federn am Eintrittsende des Fiberskops genau entsprechen. Wenn die Schwenkachsen 24 bzw. 24 a der Magnete 22 bzw. 22 a übereinstimmende Ausrichtung zeigen, indem nötigenfalls das eine Ende des Faserbündels 12 um seine Achse gegenüber dem anderen Ende des Faserbündels 12 verdreht wird, und wenn die beiden Magnetspulen 20 und 20 a mit übereinstimmender Phase, Frequenz und Amplitude arbeiten, erfolgt übereinstimmende Ab­ tastung der Eintritts- bzw. Austrittsfläche 16 bzw. 18 durch die Abtaster 36 bzw. 36 a, und es ergibt sich eine Bildverbes­ serung. Der Abtaster 36 a läßt das von der Bildaustrittsfläche 18 ausgehende Bild stationär erscheinen, wenn es beispiels­ weise durch ein übliches Endoskopokular 48 mit dem Auge E be­ trachtet wird. An die Stelle des Auges E und der Okularlin­ sen 48 kann natürlich eine Kamera oder ein System von Kamera­ linsen treten. Sollte die Anwendung von elektrischer Energie am distalen Ende des Fiberskops unzweckmäßig sein, können so­ wohl der Abtaster 36 wie auch der Abtaster 36 a durch eine mit Luft oder einem anderen Gas angestoßene, abgestimmte Zunge in Schwingungen versetzt werden. Man kann dafür auch syn­ chron pulsierende Gas- oder Flüssigkeitsstrahlen anwenden.

Übereinstimmung von Phase und Frequenz der Schwingungen der Abtaster 36 und 36 a läßt sich, wie üblich, dadurch herbeifüh­ ren, daß die beiden Magnetspulen 20 und 20 a aus der gleichen Wechselstromquelle mit beispielsweise 60 Hz gespeist werden und die Amplituden durch Einstellen der den Magnetspulen zu­ geführten Spannung (oder des Stroms) eingeregelt werden.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des proximalen oder Bildaustrittsendes des Fiberskops 10. Eine solche An­ ordnung kann an die Stelle des optischen Gliedes 36 a mit sei­ ner Schirmplatte 40 treten. Die Abtastung der Bildaustritts­ fläche 18 des Faserbündels 12 wie in Fig. 1 kann dann mit dem Auge E und mittels Okularlinsen 48 durch eine Platte 50 be­ trachtet werden.

Ein Permanentmagnet 52 trägt die Platte. Aufbau und Arbeits­ weise des Permanentmagneten 52 entsprechen dem Aufbau und der Arbeitsweise des Magneten 22. Wenn die Magneten 22 und 52 synchron zueinander arbeiten, d. h. wenn Frequenz und Amplitu­ de der von dem Abtaster 36 erzeugten Bildabtastung verdoppelt werden, werden die an der Bildaustrittsfläche 18 des Fiber­ skops auftretenden Bilder stationär und bieten bessere Auf­ lösung. Die Platte kann aus Klarglas von hohem Brechungs­ index (z. B. 1,8) oder einem höherbrechenden (2,4) Strontium­ titanat bestehen. Einzelheiten über diese abgewandelte Aus­ führungsform finden sich in der erwähnten DE-OS 28 43 692.

Weitere abgewandelte Ausführungsformen des primären oder di­ stalen faseroptischen Abtastsystems mit Abtaster 36 sind in den Fig. 4 bis 7 dargestellt.

Gemäß Fig. 4 wird der Abtaster 36 b um seine Achse 24 a ge­ schwenkt, die, von dem abzubildenden Gegenstand aus gesehen, vor der Bildeintrittsfläche 16 a des optischen Faserbündels 12 a liegt. Die Krümmungsmittelpunkte der Fläche 16 a bzw. 40 a des Faserbündels 12 a bzw. des Abtasters 36 b liegen auf der Achse 24 a. Mit dem Magneten 22 und der Magnetspule 20 wird der Abtaster in Schwingungen versetzt.

In den Fig. 5, 6 und 7 sind Magnet und Magnetspule nicht besonders angegeben. Die Abtaster 36 c, 36 d und 36 e in diesen Figuren besitzen gekrümmte Bildeintrittsflächen. Nach Fig. 5 haben die Eintritts- bzw. Austrittsfläche 40 b bzw. 42 b des Abtasters 36 c gleich große Krümmungsradien. Diese Flächen können hier und bei den oben beschriebenen Ausführungsformen zylindrisch oder sphärisch gewölbt sein.

Gemäß Fig. 6 ist, von dem abzubildenden Gegenstand aus gesehen, vor dem Abtaster 36 d eine Einrichtung 54 zur Ebnung des Bild­ feldes angeordnet. Die Einrichtung 54 besteht aus einem Bün­ del optischer Fasern 56 mit Bildaustrittsfläche 58, die an die Krümmung des Abtasters 36 d angepaßt ist, und der Bildeb­ ner 54 hat eine flache Bildeintrittsfläche 60. Die an der Fläche 60 eintretenden Bildstrahlen werden demnach ohne Ände­ rung der Bildfeldwölbung in das Faserbündel 12 c überführt und werden quer zu dem Faserbündel 12 c durch die Schwingbewegung des Abtasters 36 d abgetastet.

In Fig. 7 ist ein Abtaster 36 e gezeichnet, der dem Abtaster 36 c nach Fig. 5 ähnelt, jedoch insofern modifiziert ist, als die eine Fläche 42 c einen anderen Krümmungsradius hat als die gegenüberliegende Fläche 40 c.

Claims (9)

1. Einrichtung zur dynamischen Bildverbesserung bei der Übertragung von Bildern über optische Faserbündel, mit einem das ankommende Bild vor der Bildeintrittsfläche des optischen Faserbündels abtastenden und ablenkenden optischen Glied, das in einem Permanentmagneten gehal­ tert ist und durch eine Magnetspule in Schwingungen um eine senkrecht zu der Bildübertragungsachse liegenden Schwenkachse versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das ablenkende und abtastende optische Glied (36) aus neben­ einander angeordneten gleichartigen optischen Fasern (38) besteht, deren Achsen geradlinig und untereinander gleichgerichtet sind und die miteinander zu einem starren Körper fest verbunden sind.

2. Einrichtung zur dynamischen Bildverbesserung, nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der symmetrisch zu der Bildübertragungsachse liegenden Begren­ zungsflächen des abtastenden optischen Gliedes (36) eine nicht-ebene, geknickte oder gewölbte Fläche ist.

3. Einrichtung zur dynamischen Bildverbesserung, nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gewölbten Flächen des abtastenden optischen Gliedes (36) sphärisch oder zylin­ drisch gewölbt sind, wobei die Achsen der Kugel- oder Zylin­ derflächen parallel zur Schwenkachse (24) des abtastenden optischen Gliedes (36) verlaufen und senkrecht auf der Bild­ übertragungsachse stehen.

4. Einrichtung zur dynamischen Bildverbesserung nach An­ spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einer gewölbten Fläche (40 a) des abtastenden optischen Gliedes (36) zuge­ wandte Bildeintrittsfläche (16 a) des optischen Faserbündels (12) eine der Fläche (40 a) entsprechende Wölbung besitzt.

5. Einrichtung zur dynamischen Bildverbesserung, nach An­ spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der ge­ wölbten Fläche (40 a) und der Bildeintrittsfläche (16 a) ver­ bleibende zylindrische oder sphärische Spaltraum mit Immer­ sionsflüssigkeit gefüllt ist.

6. Einrichtung zur dynamischen Bildverbesserung, nach An­ spruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gewölbten Flächen (40 c, 42 c) des abtastenden optischen Gliedes (36 e) unterschiedlichen Krümmungsradius haben.

7. Einrichtung zur dynamischen Bildverbesserung, nach An­ spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der der Bildeintritts­ fläche (16) des optischen Faserbündels (12) abgewandten ge­ wölbten Fläche des abtastenden optischen Gliedes (36 d) eine Einrichtung (54) zur Ebnung des Bildfeldes gegenübersteht.

8. Einrichtung zur dynamischen Bildverbesserung, nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem abtastenden optischen Glied (36) mit geknickter Begrenzungsfläche die Schwenkachse (24) mit der Knicklinie zusammenfällt und die ebene Bildeintrittsfläche (16) des optischen Faserbündels (12) berührt.

9. Einrichtung zur dynamischen Bildverbesserung, nach An­ spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der keilförmige Spaltraum beiderseits der Knicklinie des abtastenden opti­ schen Gliedes (36) mit Immersionsflüssigkeit gefüllt ist.