DE60026025T2

DE60026025T2 - Ein optisches system

Info

Publication number: DE60026025T2
Application number: DE60026025T
Authority: DE
Inventors: Hanoch Kislev; Arkady Glukhovsky; Gavriel Meron; Gavriel Iddan
Original assignee: Given Imaging Ltd
Current assignee: Given Imaging Ltd
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2020-06-16
Also published as: JP2005279292A; ATE408367T1; JP2003501704A; EP1199975A1; EP1199975A4; DE60026025D1; US7327525B2; JP3114298U; EP1741382B1; EP1199975B1; DE60040310D1; US7433133B2; US6836377B1; IL130486A0; US20040240077A1; AU5244100A; US20060122461A1; US20050185299A1; IL130486A; ES2257299T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches System zum Beleuchten und Betrachten eines Ziels.
Ein optisches System zum Beleuchten und Betrachten eines Ziels, das ein Ziel, eine Quelle zum Beleuchten des Ziels und Mittel zum Empfangen des von dem Ziel zurückgeworfenen Lichtes umfasst, kann definiert werden durch eine Beleuchtungsachse und eine optische Achse, die an dem Ziel zusammenlaufen.
Ein derartiges optisches System kann so einfach sein wie ein Betreiber einer Beleuchtungsquelle, der ein Ziel betrachtet, wobei der Betreiber das Mittel zum Empfangen des von dem Ziel zurückgeworfenen Lichtes verkörpert. Ein Beispiel eines derartigen optischen Systems ist ein Betreiber eines Fahrzeugs, der sich innerhalb des Fahrzeugs befindet und auf ein beleuchtetes Ziel herausschaut, wie eine Strasse oder Tunnelwände.
Komplexere optische Systeme schließen automatisierte Prozessoren als Mittel zum Empfangen des von einem betrachteten Ziel zurückgeworfenen Lichtes ein. Beispiele für derartige optische Systeme können in diagnostischen Apparaten wie Endoskopvorrichtungen gefunden werden. Die im Stand der Technik beschriebenen Endoskope umfassen ein Bildaufnahmeelement und ein Beleuchtungselement zum Beleuchten eines untersuchten Zieles.
Für diese optischen Systeme ist es vorteilhaft das Beleuchtungselement und die Empfangsmittel innerhalb eines einzigen Gehäuses unterzubringen, nämlich hinter einem einzigen optischen Fenster.
In einem einen Betreiber tragenden Fahrzeug, sind die Beleuchtungselemente gewöhnlich außerhalb des Fahrzeugs angeordnet, wodurch es erforderlich ist, dass der Betreiber das Fahrzeug für Reparaturen oder dergleichen verlässt. In Fahrzeugen wie Unterseebooten oder Zügen, die in einem dunklen Tunnel verkehren, kann dies eine gefährliche Aufgabe sein.
In diagnostischen Apparaten, insbesondere solchen, die dafür bestimmt sind in Körperöffnungen eingeführt zu werden, ist es unter hygienischen und praktischen Gesichtspunkten angeraten ein einziges optisches Fenster zu haben.
Ein häufiges Problem, dem man beim Unterbringen eines Beleuchtungselements und eines Mittels zum Empfangen von zurückgeworfenem Licht hinter einem einzigen optischen Fenster begegnet, ist das "Rauschen" (Rückstreuung und Streulicht), das durch zurückgeworfenes Licht von dem optischen Fenster selbst produziert wird, das von dem Empfangsmittel empfangen wird.
Derzeit verwendete Techniken zum Vermindern von Rauschen schließen ein Verwenden von Lichtleitmitteln oder ein Separieren des Beleuchtungselementes von dem Empfangsmittel ein.
Zum Beispiel beschreibt US-5,840,014 (Miyano et al.) ein Endoskop mit einem Beleuchtungsfenster und einem Betrachtungsfenster mit einer abnehmbaren Schutzabdeckung und einem transparenten Material zum Entfernen von Luft aus dem Raum zwischen dem vorderen Ende und der abnehmbaren Abdeckung, zur Verringerung von Verlusten in der Beleuchtungslichtstärke. Ein weiteres Beispiel findet sich in JP 0326403A , wo ein Lichtextinktionsteil an der Innenfläche des Fensters zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfangsteil angebracht ist, um einen Teil des zwischen diesen reflektierten Lichts zu absorbieren.
Die in den angehängten Ansprüchen definierte, vorliegende Erfindung stellt ein optisches System zum Beleuchten und Betrachten eines Ziels bereit, in dem ein Beleuchtungselement und ein Empfangsmittel hinter einem einzigen optischen Fenster angeordnet sind, und das Daten im Wesentlichen frei von Rückstreuung und Streulicht erhält.
Das optische System gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst wenigstens ein Beleuchtungselement und wenigstens ein Empfangsmittel, die beide hinter einem einzigen optischen Fenster mit einer Mehrzahl von reflektierenden Oberflächen angeordnet sind.
Das optische Fenster ist derart konfiguriert, dass es eine Form definiert, die wenigstens eine Brennkurve aufweist.
Wenigstens ein Beleuchtungselement und wenigstens ein Empfangsmittel sind geometrisch auf der Brennkurvenebene oder in der Nähe der Brennkurvenebene positioniert, derart, dass beim Beleuchten Strahlen von den Beleuchtungselementen, die von den optischen Fensteroberflächen intern reflektiert werden, nicht auf das Empfangsmittel fallen.
Es versteht sich, dass die Bezeichnung "Empfangsmittel" sich auf jedes Mittel bezieht, das geeignet ist zum Empfangen, Verarbeiten oder weiteren Übermitteln von Beleuchtungsstrahlen, die von einem Ziel zurückgeworfen werden, oder Daten die von diesen Strahlen abgeleitet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das optische Fenster eine ellipsoid geformte Kuppel. Eine Mehrzahl von Beleuchtungselementen sind auf der Ellipsoidbrennkurve positioniert und ein Empfangsmittel ist auf der Symmetrieachse des Ellipsoids in einer gleichen Entfernung von den Beleuchtungselementen positioniert.
Die derart positionierten Komponenten des Systems stellen sicher, dass beim Beleuchten alles intern von den optischen Fensteroberflächen reflektierte Licht an Punkten auf der Brennkurve empfangen wird und nicht auf das Empfangsmittel fällt.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein diagnostisches Instrument mit einem optischen System gemäß der vorliegenden Erfindung bereit.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die vorliegende Erfindung wird besser verstanden und gewürdigt aus der folgenden detaillierten Beschreibung, zusammengenommen mit den Figuren, in denen:
1A, 1B schematische zwei- bzw. dreidimensionale Darstellungen eines optischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung sind; und
2A, 2B schematische Darstellungen von zwei Ausführungsformen mit dem optischen System der vorliegenden Erfindung sind, eine optische Vorrichtung bzw. ein Fahrzeug, das ein Empfangsmittel trägt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches System auf der Grundlage einer geometrischen Positionierung sowohl von Beleuchtungselementen als auch Mitteln zum Empfangen von Licht hinter einem einzigen optischen Fenster, derart, dass intern von dem optischen Fenster reflektiertes Licht nicht auf das Empfangsmittel fällt.
Das optische Fenster, das aus jedem geeigneten Glas oder Plastik bzw. Kunststoff gefertigt ist, kann als aus infinitesimalen ebenen Oberflächen zusammengesetzt betrachtet werden, wobei jede ebene Oberfläche einen einfallenden Beleuchtungsstrahl mit einem Reflektionswinkel gleich dem Einfallswinkel intern reflektiert. Die ebenen Oberflächen sind derart winkelig zueinander angeordnet, dass reflektierte Beleuchtungsstrahlen immer in einem einzigen bekannten Punkt zusammenlaufen.
Dieser Aufbau kann zu einer Form mit Brennpunkten führen (zum Beispiel eine Ellipse), und ein so aufgebautes optisches Fenster würde die optische Eigenschaft aufweisen, dass von einem Brennpunkt emittierte Lichtstrahlen, die intern reflektiert werden, sich zu dem zweiten Brennpunkt ausbreiten. In einer dreidimensionalen Form (wie ein Ellipsoid) werden sich von einem Punkt auf einer Brennkurve emittierte Lichtstrahlen, die intern reflektiert werden, zu einem anderen Punkt auf der Brennkurve ausbreiten.
Diese Eigenschaft wird zum Beispiel auf dem Gebiet von Bogenlampensystemen verwendet, um Energie effizient zu sammeln. Zum Beispiel in Modell A-1010 und A-1010B Lampengehäusen der Photon Technology International aus New Jersey, USA ist eine Lichtbogenquelle an einem Brennpunkt eines Ellipsoidreflektors angeordnet, und die Strahlung wird zu einem anderen Brennpunkt reflektiert. Energie wird effizient gesammelt, da das Licht durch Reflektion statt durch Brechung (durch eine Linse) zu einem Brennpunkt gebracht wird, so dass dort keine Verluste in Folge von Absorption oder Linsenoberflächen-Rückreflektion auftritt.
In dem optischen System der vorliegenden Erfindung sind die Beleuchtungselemente auf Brennpunkten positioniert, und die Position des Empfangsmittels stimmt nicht mit den Brennpunkten überein, wodurch sichergestellt wird, dass intern reflektiertes Licht sich zu den Brennpunkten ausbreitet und nicht durch das Empfangsmittel empfangen wird.
Nun wird auf 1A Bezug genommen, die eine schematische zweidimensionale Darstellung eines optischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
1A ist eine zweidimensionale Darstellung eines allgemein als 10 bezeichneten optischen Systems. Das optische System 10 umfasst ein Beleuchtungselement 11 und ein Empfangsmittel 13, die beide zum Betrachten eines Ziels 15 hinter einem optischen Fenster 14 angeordnet sind. Ein optisches Fenster 14 weist eine Oberfläche auf, die derart konfiguriert ist, dass eine durch sie und durch eine gestrichelte Linie A definierte Form eine Symmetrieachse B und zwei Brennpunkte 19 und 12 aufweist. Das Beleuchtungselement 11 ist im Brennpunkt 10 positioniert und das Empfangsmittel 13 ist auf der Symmetrieachse B positioniert, ohne mit Brennpunkt 19 oder 12 zusammenzufallen.
Der Weg der von dem Beleuchtungselement 11 emittierten Lichtstrahlen wird als ein Beispiel der Eigenschaft von Beleuchtungsstrahlen in dem optischen System der Erfindung verfolgt. Licht 16 wird von Beleuchtungselement 11 zum Beleuchten von Ziel 15 emittiert (dessen Elementposition mit Brennpunkt 19 übereinstimmt). Ein gewisser Prozentsatz von Licht (dargestellt durch Strahl 17) wird intern von den optischen Fensteroberflächen 14' und 14'' reflektiert und breitet sich zu dem zweiten Brennpunkt 12 aus. Ein Prozentsatz von Licht 16 (dargestellt durch Strahl 18) fällt auf das Ziel 15, wird vom Ziel 15 reflektiert und durch das Empfangsmittel 13 empfangen.
Somit breiten sich intern reflektierte Lichtstrahlen (wie Strahl 17) in Bereiche außerhalb des Bereiches des Empfangsmittels 13 aus.
Das Empfangsmittel 13 wird ebenfalls nicht einer direkten Beleuchtung von Beleuchtungselement 11 ausgesetzt. Das Beleuchtungselement 11 kann Licht 16 in einem zirkularen Band ausstrahlen, das tangential zur Linie B ist. In diesem Fall wird es, wenn das Empfangsmittel 13 auf Linie B positioniert ist, keine direkten Beleuchtungsstrahlen von Beleuchtungselement 11 empfangen. Alternativ kann das Empfangselement 13 in einer Nische 13' verborgen sein, um ein Empfangen von direkten Beleuchtungsstrahlen aus dem Beleuchtungselement 11 zu verhindern.
Somit stellt eine geometrische Positionierung der Komponenten des Systems sicher, dass keine Rückstreuung, wie Strahl 17, und kein direktes Licht durch Empfangselement 13 empfangen wird, sondern nur Einfallslicht, wie Strahl 18.
Tatsächlich weist das optische Fenster 14 eine dreidimensionale Form auf. Eine dreidimensionale Darstellung des optischen Systems 10 von 1A ist in 1B gezeigt.
In dem in 1B gezeigten optischen System 10 ist eine Ebene B gezeigt, die entlang Linie B von 1A gebildet ist. Die Achse C ist senkrecht zur Ebene B. Die Form auf der Ebene B, die durch das optische Fenster 14 definiert ist, beinhaltet eine Brennkurve D.
Eine Mehrzahl von Beleuchtungselementen, wie 11 und 11', können auf der Brennkurve D positioniert sein, um eine gleichmäßige räumliche Ausleuchtung zu ermöglichen, obwohl es sich versteht, dass jede beliebige Anzahl von Beleuchtungselementen gemäß spezifischen Anforderungen des Systems verwendet werden kann.
Das Empfangsmittel 13 ist an einem Punkt positioniert, der sich auf oder in der Nähe von Achse C befindet, im Wesentlichen in einer gleichen Entfernung von beiden Beleuchtungselementen 11 und 11', und auf oder in der Nähe von Ebene B, so dass es von Ziel 15 zurückgeworfenes einfallendes Licht empfängt. Alles von den Beleuchtungselementen 11 und 11' ausgestrahlte Licht, das intern von den optischen Fensteroberflächen reflektiert wird, wird an Punkten auf Brennkurve D empfangen und fällt nicht auf das Empfangsmittel 13.
Somit sind Daten, die durch das Empfangsmittel 13 erhalten werden, im Wesentlichen frei von Rückstreuung und Streulicht.
Zwei der möglichen Anwendungen für das optische System der vorliegenden Erfindung werden als zwei verschiedene Ausführungsformen bereitgestellt, dargestellt in 2A und 2B.
2A stellt eine schluckbare Kapsel dar, die a) ein Kamerasystem, b) ein optisches System zur Bildgebung eines interessierenden Bereiches auf dem Kamerasystem, und c) einen Sender, der das Videoausgangssignal des Kamerasystems sendet, enthält. Eine derartige schluckbare Kapsel ist in US-5,604,531 offenbart, übertragen den gemeinsamen Rechtsnachfolgern der vorliegenden Anmeldung. Die schluckbare Kapsel kann den gesamten Verdauungstrakt passieren und arbeitet somit als ein autonomes Videoendoskop.
Die allgemein als 20 bezeichnete Kapsel ist als Ellipsoid geformt. Die Kapsel 20 umfasst eine Gehäuseeinheit 21 und eine Betrachtungseinheit 23 zum Betrachten eines Zielpunktes 29 in der Verdauungstraktwand. Die Betrachtungseinheit 23 umfast ein optisches System gemäß der Erfindung.
Das optische System umfasst ein optisches Schutzfenster 24, vorzugsweise aus Isoplast, zwei Beleuchtungselemente 25 und 27, und eine bildgebende Vorrichtung 28. Beleuchtungselemente 25 und 27 sind auf einer Brennebene senkrecht zu der Symmetrieachse des durch den Körper der Kapsel 20 definierten Ellipsoids positioniert. Die bildgebende Vorrichtung 28, wie eine Kamera, ist auf der Symmetrieachse der Kapsel 20 positioniert.
Von den Beleuchtungselementen 25 und 17 emittierte Lichtstrahlen, die einen Zielpunkt 29 auf der Verdauungstraktwand erreichen, werden zu der bildgebenden Vorrichtung 28 reflektiert, wohingegen intern von dem optischen Schutzfenster 24 reflektierte Lichtstrahlen sich zu Punkten auf der Brennkurve ausbreiten und nicht zur bildgebenden Vorrichtung 28.
Es versteht sich, dass ein optisches Schutzfenster 24, das eine einzige und vollständige Einheit ist, leicht austauschbar ist und leicht ersetzt werden kann zwischen verschiedenen Passagen durch den Verdauungstrakt. Diese Tatsache, die durch die im Stand der Technik beschriebenen Endoskope nicht möglich ist, trägt zu der sterilen und einfachen Verwendung einer Diagnostikvorrichtung mit dem optischen System der Erfindung bei.
Somit stellt die vorliegende Erfindung eine einfach zusammengesetzte diagnostische Vorrichtung bereit, die Daten erhalten kann, die im Wesentlichen frei von Rauschen, wie Zurückstreuung oder Streulicht, sind.
2B stellt ein Fahrzeug, wie ein Unterseeboot, dar, allgemein bezeichnet als 30. Das Unterseeboot 30 ist so geformt, dass seine Exzentrität gleich oder größer als Null und kleiner als 1 ist.
Das Unterseeboot 30 umfasst eine Antriebseinheit 31 und eine Betrachtungszelle 33, die durch ein Fenster 34 eingeschlossen sind, in dem ein Betreiber oder eine Überwachungsvorrichtung 38 auf der Symmetrieachse der Form des Unterseebootes 30 positioniert sind. Ein interessierendes Ziel 39 in tiefen Gewässern soll betrachtet werden. Das interessierende Ziel 39 wird durch Beleuchtungselemente 35 und 37 beleuchtet, die auf einer Brennebene der durch den Körper des Unterseebootes 30 definierten Form positioniert sind, derart, dass von dem Fenster 34 intern reflektierte Lichtstrahlen den Betreiber nicht blenden und/oder nicht von der Überwachungsvorrichtung 38 empfangen werden.

Claims

Optisches System (10), umfassend mindestens ein Beleuchtungselement (11) und mindestens ein Empfangsmittel (13), welche beide hinter einem einzigen optischen Fenster (14) angeordnet sind, das eine Vielzahl von reflektierenden Oberflächen hat, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Fenster so konfiguriert ist, dass es eine Form definiert, welche mindestens eine in einer Ebene (B) liegende Brennkurve (D) hat, wobei Licht, das von einem Punkt auf der mindestens einen Brennkurve (D) ausgesendet und vom optischen Fenster intern reflektiert wird, sich zu einem anderen Punkt auf der mindestens einen Brennkurve (D) ausbreitet, und das mindestens eine Beleuchtungselement (11) auf der Brennkurve positioniert ist, und das mindestens eine Empfangsmittel (13) auf oder in der Nähe der Brennkurvenebene (B) positioniert ist, aber nicht auf oder in der Nähe der Brennkurve (D), so dass beim Beleuchten Strahlen aus dem Beleuchtungselement, welche von den Oberflächen des optischen Fensters intern reflektiert werden, nicht auf das Empfangsmittel fallen.
Optisches System gemäß Anspruch 1, wobei das Beleuchtungselement (11) eingerichtet ist ein Ziel (15) auf der gegenüberliegenden Seite des optischen Fensters zu beleuchten und wobei von dem Ziel zurückgeworfene Beleuchtungsstrahlen durch das Empfangsmittel empfangen werden.
Optisches System gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die durch das optische Fenster (14) definierte Form ein Ellipsoid ist.
Optisches System gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das mindestens eine Empfangsmittel (13) in einer Nische (13') positioniert ist.
Diagnosevorrichtung (20), umfassend ein optisches System gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4.
Diagnosevorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Vorrichtung ein Endoskop ist.
Diagnosevorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Vorrichtung (20) eine schluckbare Kapsel ist, die ein System zur Bildgebung des Verdauungstraktes und einen Sender umfasst, der das Ausgangssignal des bildgebenden Systems übermittelt, wobei das System zur Bildgebung des Verdauungstraktes das Empfangsmittel (13) umfasst.
Verwendung eines optischen Systems (10) gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4 zum Betrachten eines Ziels (15) außerhalb des optischen Fensters (14) des optischen Systems.