DE69123412T2

DE69123412T2 - Verbinder für Lichtleiter

Info

Publication number: DE69123412T2
Application number: DE69123412T
Authority: DE
Inventors: Souhei Fukunishi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-09-18
Filing date: 1991-09-17
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2011-09-18
Also published as: US5297226A; DE69123412D1; EP0476596B1; JPH04126125A; EP0476596A1

Description

Die vorliegende Erfmdung bezieht sich auf eine Lichtführung, die ein Bündel aus optischen Faserelementen aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Lichtführungen werden in breitem Umfang als Mittel zum Übertragen von Lichtenergie von einer Lichtquelle zu einem Zielbereich eingesetzt und kommen zum Beispiel in einem Endoskop zur Anwendung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht, in der ein Endoskop gezeigt ist, das zum Photographieren eines Teils eines Hohlraums eines menschlichen Körpers und zum Anzeigen eines Bilds des aufgenommenen Teils auf einem Monitor dient. Gemäß der Zeichnung weist eine Endoskopvorrichtung 2 eine Lichtquelle 10 zum Aussenden von Licht auf, das durch eine Kondensorlinse 12 gesammelt und zu einer Licht empfangenden Einheit 14 geleitet wird. Das Licht wird dann durch eine Lichtübertragungseinheit 16 zu einer Beleuchtungseinheit 18 übertragen, um hierdurch einen Zielbereich in dem Hohlraum eines menschlichen Körpers zu beleuchten. Ein Sensor 22 photographiert den Zielbereich und gibt Bildinformation ab, die durch in Fig. 1 gezeigte Schaltungen wie etwa 24, 26 und 28 zu verarbeiten ist. Verarbeitete Signale werden dann von den Schaltungen an einen Monitor abgegeben, und es wird das photographierte Bild dann auf dem Monitor 30 angezeigt.
Die Lichtübertragungseinheit 16 ist üblicherweise einen Lichtführung, die ein Bündel aus optischen Fasern enthält. Jede optische Faser weist einen Kern, der zum Übertragen der Lichtenergie dient, und eine Glasbeschichtung um den Kern herum zum Vermeiden eines Lichtverlustes auf. Die Lichtführung 16 ist üblicherweise in einer Einführungseinrichtung untergebracht, die in einen Hohlraum eines menschlichen Körpers eingeführt wird, wobei die Einführungseinrichtung und die Lichtführung flexibel sein müssen. Diese Anforderung führt dazu, daß die Lichtführung ein Bündel aus dünnen optischen Faserelementen enthalten sollte.
Vom Aspekt der Herstellung, der Wartung und der Handhabung her gesehen, ist die Lichtführung vorzugsweise in geeigneter Weise in Abschnitte unterteilt, die durch Verbinder miteinander verbunden sind. Es ist jedoch in der Praxis schwierig, einen Verbinder für jedes aus einer Mehrzahl von dünnen optischen Faserelementen vorzusehen. Die optischen Faserelemente 14 werden daher, wie in Fig. 2 gezeigt ist, miteinander verbunden, um hierdurch Verbinder 42, 42a oder 42b zu bilden. Endflächen der Verbinder 42a und 42b werden eng miteinander verbunden, um hierbei genügend Lichtenergie zu übertragen.
Jedoch ist es schwierig, jede Mittelachse der optischen Faserelemente von einander gegenüberliegenden Verbindern 42a und 42b auszurichten, wenn diese aneinander angebracht werden, so daß ein großer Anteil der Lichtenergie verloren geht. Dieser Verlust an Lichtenergie begründet Problemen dahingehend, daß er Wärmeverluste hervorruft und eine Lichtquelle mit großer Leistung erfordert.
Eine Lichtführung der vorstehend angegebenen Art, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht, ist aus der GB-A-2 191 873 bekannt.
Das Bindemittel ist durch das Material der Beschichtung und/oder durch einen Abschnitt einer Glasröhre gebildet, das bzw. die das Ende des Bündels umgibt und die Spalten zwischen den Fasern auffüllt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lichtführung zu schaffen, bei der ein Verlust an Lichtenergie weiter verhindert wird.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung werden dadurch hergestellt, daß die dünnen optischen Faserelemente in dem Verbinder mit einem lichtdurchlässigen Klebemittel verbunden werden, das einen kleineren Brechnungsindex als die Beschichtung aufweist. Licht, das von dem aussendenden Ende ankommt, tritt dann in den geklebten Abschnitt des empfangenden Endes ein und schreitet in dem geklebten Abschnitt bzw. Klebemittelabschitt fort, um hierbei in die Kerne der Verbinder 42b einzutreten. Das Licht pflanzt sich in dem Kern in Richtung zu der Beleuchtungseinheit 18 weiter.
Die gesamte Übertragung der Lichtenergie von dem Licht emittierenden Verbinder 42a zu dem Licht empfangenden Verbinder 42b ist vergrößert, das heißt es ist die Leckage von Lichtenergie aufgrund einer fehlenden Übereinstimmung der optischen Achsen der dünnen optischen Faserelemente der sich gegenüberliegenden Verbinder verringert.
Die Vergrößerung der gesamten Übertragung der Lichtenergie läßt sich auch unter Verwendung der nachstehend angegebenen Verbinder erzielen: Ein Verbinder, der durch Schmelzen des Beschichtungsabschnitts der Lichtführung hergestellt ist, um hierdurch die Anzahl der optischen Faserkerne, die in dem Verbinder aufgenommen sind, zu vergrößern, oder ein Verbinder, der durch Verschmelzung oder Verflüssigung des Beschichtungsabschnitts mittels eines Lösungsmittels der gleichen Art wie die Beschichtung hergestellt ist, um hierdurch Spalten zwischen den optischen Fasern aufzufüllen und das Volumen der Beschichtung in dem Verbinder zu vergrößern.
Wie vorstehend erwähnt, wird, da die Licht empfangende Fläche des Verbinders 42a erheblich ausgedehnt ist, der Verlust von Lichtenergie an den Befestigungsenden der Verbinder verringert, und es ist das Problem, daß jede optische Achse der Faserelemente jeweils nicht miteinander übereinstimmt, gelöst.
Auf diese Weise verringert die vorliegende Erfindung die optischen Verluste und die durch die Verluste erzeugte Wärme, und es verringert sich demzufolge die Größe des Verbinders. Der durch die Erfindung erreichte Verbinder läßt sich in einfacher Weise mit geringen Kosten herstellen, da die optischen Achsen der optischen Fasern der einander gegenüberliegenden Verbinder nicht präzise miteinander ausgerichtet werden bzw. sein müssen.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfmdung erschließen sich aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen noch klarer.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht, in der ein Endoskop dargestellt ist,
Fig. 2 zeigt eine Ansicht, in der Verbinder einer Lichtführung dargestellt sind,
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht, in der das Endoskop gezeigt ist,
Fig. 4(a) bis 4(c) stellen Ansichten dar, die Verbinder einer Lichtführung zeigen,
Fig. 5 zeigt eine Ansicht, die zur Erläuterung eines Prinzips einer Lichtführung dient,
Fig. 6 zeigt eine Ansicht, in der ein Verbinder dargestellt ist, der Schrägen in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist, und
Fig. 7(a) und 7(b) zeigen Ansichten, in denen ein Licht empfangendes Element dargestellt ist.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht, in der ein Endoskop dargestellt ist, bei dem die vorliegende Erfindung eingesetzt wird.
Das Endoskop weist eine Zwischenröhre 102, die in einen Hohlraum eines menschlichen Körpers einzuführen ist, eine Steuereinheit 104, die an der Basis der Zwischenröhre 102 angeordnet ist, und ein Universalkabel 106 auf, das an die Steuereinheit 104 angeschlossen ist.
Das Universalkabel 106 ist mit einem elektronischen Endoskopgerät 108 verbunden. Das Gerät 108 enthält eine Lichtquelle 10 für die Erzeugung von Licht, das zur Beleuchtung eines zu inspizierenden Zielbereichs in dem Körperhohlraum 20 dient, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Das Gerät 108 enthält weiterhin eine Informationsverarbeitungseinheit 26 zum Verarbeiten von Signalen, die von einem aufnehmenden Element 22 wie etwa einem CCD- Element (ladungsgekoppelte Einrichtung) stammen, das in einem Kopfendabschnitt der Zwischenröhre 102 angeordnet ist.
Das aufnehmende Element 22 empfängt Licht, das von dem zu inspizierenden Zielbereich 20 in dem Körperhohlraum reflektiert wird, und wandelt ein durch das reflektierte Licht gebildetes optisches Bild in elektrische Signale um, die an die Informationsverarbeitungseinheit 26 in dem Endoskopgerät 108 gesendet werden. Ein von der Informationsverarbeitungseinheit 26 abgegebenes Ausgangssignal wird an einen Monitor 110 wie etwa eine Kathodenstrahlröhren-Anzeigeeinheit geleitet, auf der ein Bild der Oberfläche des zu untersuchenden Zielbereichs in dem Hohlraum des menschlichen Körpers angezeigt wird.
Die Zwischenröhre 102, die Steuereinheit 104 und das Universalkabel 106 sind in einer Lichtführung enthalten bzw. enthalten diese, die Verbinder aufweist, die diese Einheiten miteinander verbindet. Die Lichtführung überträgt Lichtenergie von der Lichtquelle 10 zu einem Beleuchtungsfenster 18, das an dem Kopfendabschnitt der Zwischenröhre 102 ausgebildet ist, wobei das Licht den zu untersuchenden Zielbereich beleuchtet.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist die Lichtführung ein Bündel aus optischen Faserelementen 40 auf. Das Bündel aus optischen Fasern ist nicht kontinuierlich von der Lichtquelle bis zu dem Beleuchtungsfenster geführt, sondern ist in Abschnitte unterteilt, die jeweils miteinander durch Verbinder verbunden sind, die an den Enden jedes Führungsabschnitts ausgebildet sind. Falls das Licht als Leckage verloren geht oder an den Verbindern gedämpft wird, wird das Licht nicht vollständig durchgeleitet. Dies erfordert eine Lichtquelle mit einer großen Leistung oder es kann Hitze erzeugt werden, was die Kompaktheit jedes Verbinders behindert.
Fig. 4(a) zeigt eine Lichtführung, in der jedes Ende des optischen Faserelements 40, das aus einer Mehrkomponenten-Glasfaser hergestellt ist, jeweils gegenseitig mit einem durchlässigen Klebemittel 114 verbunden ist, das einen kleineren Brechnungsindex als die Beschichtung 112 aufweist, die um jedes der optischen Faserelemente 40 herum angeordnet ist, um hierdurch einen Verbinder 120 zu bilden.
Zur Herstellung des Verbinders 120 wird nämlich ein Ende jedes optischen Faserelements 40 in einen Verbinderzylinder 118 eingeführt und derart gehalten, daß jedes der optischen Faserelemente 40 im wesentlichen parallel zu einer Mittelachse des Verbinderzylinders 118 verläuft. Danach wird das Klebemittel 114 aufgebracht und verfestigt. Das Klebemittel ist ein optischer Klebstoff wie etwa ein Klebstoff auf Epoxidbasis, oder ein Acryl-Klebstoff, der einen niedrigen Brechnungsindex aufweist.
Zur Verbesserung der Durchleitung der Lichtenergie und zur Vermeidung einer Streuung des Lichts muß eine Endfläche 119 des Verbinders 120 an jeder der Licht aussendenden und empfangenden Endflächen der Lichtführung sauber poliert sein.
Fig. 5 zeigt den Effekt, durch den die Menge von durchgelassener Lichtenergie verbessert wird.
Im allgemeinen wird der Winkel der Brechung des Lichts kleiner, wenn das Licht in eine Substanz, die einen großen Brechnungsindex aufweist, von einer Substanz eindringt, die einen kleinen Brechungsindex besitzt. Wenn Licht auf der anderen Seite in Richtung zu einer Substanz, die einen kleinen Brechnungsindex aufweist, von einer Substanz wandert, die einen großen Brechungsindex aufweist, und der Einfallswinkel größer ist als der kritische Winkel, wird das Licht an der Oberfläche der Substanz, die den kleinen Brechungsindex aufweist, vollständig reflektiert.
Gemäß Fig. 5 ist ein Brechnungsindex n3 des Klebemittels 114 kleiner als ein Brechnungsindex n2 der Beschichtung 112, so daß ein Lichtstrahl A, der in das Klebemittel 114 eindringt, durch die Oberfläche der Beschichtung 112 derart gebrochen wird, daß der Lichtstrahl A noch stärker parallel zu der Achse des optischen Faserelements 40 verläuft. Ein Brechungsindex n1 des Kerns 116 ist üblicherweise größer als der Brechnungsindex n2 der Beschichtung 112, so daß ein Lichtstrahl B, der in die Beschichtung 112 eintritt, noch stärker parallel zu der Achse des optischen Faserelements 40 ist, wenn er in den Kern 116 eintritt.
Lichtstrahlen, die in das Klebemittel 114 eindringen, tendieren nämlich dazu, durch die Beschichtung 112 in den Kern 116 einzutreten, und Lichtstrahlen, die in die Beschichtung 112 eintreten, tendieren ebenfalls dazu, in den Kern 116 einzutreten. Auf diese Weise tendieren beide Lichtstrahlen, die in das Klebemittel 114 und in die Beschichtung 112 eintreten, dazu, in den Kern 116 einzutreten. Auf der anderen Seite werden die Lichtstrahlen D, die sich in der Beschichtung 112 fortpflanzen, durch das Klebemittel 114 vollständig reflektiert, wohingegen Lichtstrahlen C, die sich in dem Kern 116 fortpflanzen, durch die Beschichtung 112 vollständig reflektiert werden.
Als Ergebnis treten Lichtstrahlen, die in das Klebemittel 114 mit einem Einfallswinkel innerhalb eines gewissen Bereichs eintreten, in den Kern 116 durch die Beschichtung 112 ein, wodurch die Menge an Lichtstrahlen vergrößert wird, die durch den Kern 116 hindurchlaufen. Dies ist jedoch lediglich dann zutreffend, wenn keine optische Dämpfüng vorhanden ist und der Verbinder eine unendliche Länge besitzt. Es ist physikalisch unmöglich und aufgrund der optischen Dämpfung auch nicht erforderlich bzw. möglich, die Länge des Verbinders unendlich auszudehnen.
In Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel beträgt die Länge des Verbinders 120 ungefähr 20 bis 30 mm. Falls der Verbinder 120 zu kurz ist, kann die Oberfläche des Klebemittels 114 in der Nähe eines Endes des Verbinders 120 schräg verlaufen, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. In diesem Fall wird ein Lichtstrahl, der durch eine gepunktete Linie angezeigt ist und sich parallel in dem Klebemittel 114 fortpflanzt, vollständig durch die Schräge reflektiert, um in die Beschichtung 112 oder in den Kern 116 einzutreten. Gemäß Fig. 6 ist das Klebemittel 114 nicht insgesamt abgeschrägt, sondern in kleine Zonen unterteilt und mit Neigung versehen.
Fig. 4(b) zeigt einen Verbinder der Lichtführung, bei dem das gleiche Material wie bei der Beschichtung 112 eingesetzt wird und die Beschichtung 112 in dem Verbinder geschmolzen und verfestigt ist. Es wird nämlich eine Querschnittsfläche der Beschichtung in dem Verbinder vergrößert, um eine Lichtempfangsfläche der Lichtführung erheblich zu vergrößern.
Wegen des gleichen, zuvor erläuterten Grunds treten Lichtstrahlen, die in die Beschichtung 112 eintreten, in die Kerne 116 ein, wodurch die Menge an Lichtstrahlen, die durch die Kerne 116 übertragen werden, vergrößert wird. Die Beschichtung 112 ist durch Schmelzkopplung oder Diffusionskopplung unter Einsatz eines Glas-Hilfsmittels beispielsweise auf der Basis von B&sub2;O&sub3;SiO&sub2; geschmolzen und verfestigt. Fig. 4(c) zeigt einen Verbinder der Lichtführung, bei dem die Beschichtung 112 selbst geschmolzen und verfestigt ist, um hierdurch die Anzahl der Kerne 116 in dem Verbinder, das heißt die gesamte Querschnittsfläche der Kerne 116 zu vergrößern. Diese Anordnung vergrößert auch die Menge von durchgelassenem Licht.
Falls die Anzahl der optischen Faserelemente 40 in einem Licht aufnehmenden Ende zu groß ist, können die optischen Fasern 40 optisch miteinander gekoppelt werden, um die Nummer bzw. Zahl der Lichtführung zu verringern.
Auf diese Weise wird die Licht aufnehmende Fläche an einem verbindenden Ende der Lichtführung für das Endoskop erheblich vergrößert, und es bewirkt daher eine fehlende Übereinstimmung der optischen Fasern von einander gegenüberliegenden Verbindern keine ernsthafte Störung. Da der Verbinder in luftdichter Weise verfestigt ist, wird der Effekt des Schutzes gegenüber Wasser sichergestellt.
Fig. 7(a) und (b) zeigen Verbinder einer Lichtführung, die als ein Licht aufnehmendes Element oder als eine Licht empfangende Einheit einer Lichtquelle dienen. Bei diesen Beispielen ist die Menge an durchgelassenem Licht aufgrund des Einsatzes der vorstehend erwähnten Mittel gleichfalls vergrößert.

Claims

1. Lichtführung, die ein Bündel aus optischen Faserelementen (40) zum Übertragen von Licht sowie ein aussendendes Ende und ein empfangendes Ende für die Lichtkopplung aufweist, wobei jedes Faserelement einen Kern (116) und eine Beschichtung (112), die den Kern umgibt, aufweist, wobei mindestens eines aus dem aussendenden Ende und dem empfangenden Ende als ein Verbinder zum Koppeln von Licht aus dem Bündel oder in das Bündel ausgebildet ist, wobei mindestens an einem Ende des Bündels die Faserelemente miteinander mit Hilfe eines Verbindungsmittels verbunden sind, das einen Brechungsindex aufweist, der gleich groß wie oder kleiner als derjenige der Beschichtung ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Verbindungsmittels (114) in der Nähe des Endes des Bündels Abschnitte aufweist, die jeweils in Richtung zu einer der Fasern geneigt sind, wobei die Abschnitte derart angeordnet sind, daß ein Lichtstrahl, der sich in dem Verbindungsmittel parallel zu den Fasern fortpflanzt, an den Abschnitten derart reflektiert wird, daß er in die Beschichtung (112) oder in den Kern (116) der jeweiligen Faser eintritt.

2. Lichtführung nach Anspruch 1, bei dem die Beschichtungen an dem besagten mindestens einem Ende des Bündels geschmolzen und gemeinsam miteinander verfestigt sind.

3. Lichtführung nach Anspruch 1, bei dem das Verbindungsmittel ein Material ist, das mit dem Material der Beschichtung im wesentlichen identisch ist.

4. Lichtführung nach Anspruch 1, bei dem das Verbindungsmittel ein Klebemittel ist, wobei der Brechungsindex des Klebemittels kleiner ist als derjenige der Beschichtungen.

5. Endoskop mit einer Lichtführung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.