專利名稱：將低數(shù)值孔徑光輸入耦合至高數(shù)值孔徑光學(xué)儀器內(nèi)的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光耦合設(shè)備領(lǐng)域。
通常通過光纖束來將光束從光源傳輸至內(nèi)窺鏡或其它需照明儀器(lighted instruments)，例如需照明牽引器，其中光纖束由數(shù)千根捆在一起的單光纖組成以形成較大直徑的光纜。光纖束的尺寸一般決定于耦合至光纖束的光源的特性及需照明儀器所需的光通量。以內(nèi)窺鏡為例來進行說明。內(nèi)窺鏡內(nèi)的光纖束的尺寸決定于所需光通量以及內(nèi)窺鏡內(nèi)的可用空間。對于小直徑內(nèi)窺鏡，光纖束的可用空間使得內(nèi)部光纖束的直徑小于光傳輸光纖束的直徑。因此，內(nèi)窺鏡的照明沒有充分地利用可用的光輸出。這種尺寸的不匹配降低了效率并且在內(nèi)窺鏡中產(chǎn)生了不利的熱量。
除了傳輸至內(nèi)窺鏡的總光量之外，另一個考慮是使視場與照射角匹配。光傳輸光纖束中所用光纖的典型數(shù)值孔徑NA為0.55，而內(nèi)窺鏡中內(nèi)光纖束的數(shù)值孔徑一般為0.66，盡管大于80度的廣角內(nèi)窺鏡一般采用0.8或更高數(shù)值孔徑的光纖束以對內(nèi)窺鏡的象場的外圍區(qū)域提供充足的光強。當(dāng)來自光纖束的較低數(shù)值孔徑光束被導(dǎo)入內(nèi)窺鏡中較高數(shù)值孔徑的照明光纖時，該光束不能全部激發(fā)高數(shù)值孔徑中的所有可用模式，特別是較高級模式。這使得內(nèi)窺鏡輸出端的照明范圍比所需要的窄，視場照明不均勻，在象場中央部分照明過度，而在其周圍照明不足。因此，需要將來自光纜的較小NA輸入光轉(zhuǎn)換成照明光纖末端的較大NA輸出光。
已有采用如下方法將輸入光分布的較小NA轉(zhuǎn)換成在內(nèi)窺鏡端的較大NA輸出照明分布
-在內(nèi)窺鏡的輸入端采用如

圖1所示的玻璃錐或錐形包覆棒(tapered cladded rod)1，包括一個大直徑光纖束2和一個在內(nèi)窺鏡中的較小直徑光纖束3。
-在內(nèi)窺鏡的輸入端采用透鏡將光束聚焦成大角度。
-在內(nèi)窺鏡的輸出端采用負透鏡來擴展光束。
-在內(nèi)窺鏡內(nèi)部以螺線方式排列照明光纖以擴展光束。
美國專利US4,953,937描述了來自光纖束的光束與內(nèi)窺鏡照明光纖輸入端的耦合，其通過在光纖束與內(nèi)窺鏡輸入端之間插入一光學(xué)系統(tǒng)來調(diào)整輸入光纖束的輸出分布，從而在內(nèi)窺鏡的輸出端提供更平坦的和/或更寬廣的照明場。美國專利US4,953,937的光學(xué)系統(tǒng)包括下述元件的不同組合不同形狀和焦距的正透鏡、周邊被包覆的透鏡、包覆芯棒、具有菲涅爾透鏡表面的正透鏡和具有透鏡的錐形光導(dǎo)。
美國專利US4,576,435和US4,483,585公開了一種“管狀”反射鏡(錐形或非錐形包覆芯棒)，其連接于照明光纖的輸入端面。燈輸出的光分布的強度剖面被擴展開，峰值光強在照明光纖的輸入端面處得以降低，從而減少了使光纖束燒著的可能性。
美國專利US4,747,660提出將具有不同端面結(jié)構(gòu)的成一定角度的包覆芯棒插入在燈的焦點處。其所產(chǎn)生的輸出角分布在較大的角度比沿著軸線具有較高的輸出。也可以采用一個簡單的光楔來實現(xiàn)該相同效果。
美國專利US4,584,988采用特定成型的端面部件和連接在照明光纖末端端面處的特殊透鏡系統(tǒng)，來提供更寬角度的照明。
美國專利US3,874,783描述了通過將兩個光纖束軸向不對稱地耦合在一起來增加數(shù)值孔徑的方法。這有效地增大了接收光纖束端面處的輸入角，從而增大了第二光纖束的輸出角。也可以通過調(diào)整輸入和輸出光纖束使兩端面的法線夾角θ＞0來實現(xiàn)相同效果。然而，對于將光耦合進內(nèi)窺鏡的現(xiàn)有技術(shù)，在內(nèi)窺鏡照明通道的輸入端面采用玻璃錐或包覆棒(錐形或非錐形)，造成了低的光效率和照明場的非均勻性。透鏡系統(tǒng)傾向于體積大、造價高并且難于調(diào)整。光通道周圍的照明光纖束的螺旋形布局結(jié)構(gòu)不僅難于制造，而且如果內(nèi)窺鏡內(nèi)部的照明光纖束的分布不是環(huán)形的，這種螺旋形布局結(jié)構(gòu)也不奏效。內(nèi)窺鏡末端的負透鏡不僅價錢昂貴，而且難以制造更小的內(nèi)窺鏡。而且，由于在光傳輸光纖束與內(nèi)窺鏡內(nèi)部光纖束之間區(qū)域上較大的失配，降低了任何將輸入光的數(shù)值孔徑轉(zhuǎn)換到內(nèi)窺鏡的光學(xué)方法的效率。
本領(lǐng)域需要一種改進的內(nèi)窺鏡及需照明儀器照明系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的一種照明系統(tǒng)，包括一個光纖光源和一個錐形熔融光纖束(tapered optical fused bundle)，該光纖束具有一用于接收來自與光源相連的光纖的光的光輸入端，和一用于將光發(fā)送到與需照明儀器構(gòu)成一體的光纖束或單光纖的輸出端。錐形熔融束的輸入端與光源光纖的尺寸大小差不多，直徑一般小于或等于2mm，錐形熔融束的輸出端與和例如內(nèi)窺鏡的需照明儀器構(gòu)成一體的纖維光纖束或單光纖尺寸相似，對于本發(fā)明來說，任何需照明儀器的直徑一般都不需要大于1.5mm。可在需照明儀器內(nèi)部或外部錐形熔融束，具有包括第一橫截面積和第一數(shù)值孔徑的光輸入端，和包括第二橫截面積和第二數(shù)值孔徑的光輸出端，其中該第一橫截面積大于第二橫截面積，第一數(shù)值孔徑大于小于第二數(shù)值孔徑。熔融光纖束在所述輸入端與所述輸出端之間以一錐角逐漸變細，以使兩者均優(yōu)化數(shù)值孔徑的變化來匹配需照明儀器中的光纖束或單光纖及減少光能損失。從錐形光纖束輸出端發(fā)出的光的數(shù)值孔徑遠遠大于錐形熔融光纖束輸入端的數(shù)值孔徑。這種照明系統(tǒng)可以應(yīng)用于內(nèi)窺鏡和其它需照明儀器。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)中使用現(xiàn)有技術(shù)中的玻璃錐或錐形棒將光纖束的輸出耦合到內(nèi)窺鏡的輸入的示意圖。
圖2a是使用根據(jù)本發(fā)明的錐形熔融束將小數(shù)值孔徑的單光纖發(fā)出的光耦合進內(nèi)窺鏡的示意圖。
圖2b為圖2a所示錐形熔融光纖束的第一橫截面面積示意圖。
圖2c為圖2a所示錐形熔融光纖束的第二橫截面面積示意圖。
圖3為使用輸出端被截斷并且輸出數(shù)值孔徑進一步增大的錐形熔融束，將來自光纖束的光耦合進單光纖的示意圖。
圖4所示為玻璃錐與根據(jù)本發(fā)明的錐形熔融束的輸出分布的對比曲線圖。它們是穿過直徑方向的強度分布，示出了表明在包覆棒情形下二維非均勻性的一維的變化。
圖5a為錐度比率不同的0.66NA光纖束輸出分布的比較曲線圖，其中錐度比率等于錐形熔融光纖束輸入端面直徑與輸出端面直徑之比，曲線104所代表的錐度比率為1，曲線106所代表的錐度比率為1.18，曲線108所代表的錐度比率為1.52，曲線110所代表的錐度比率為1.63。
圖5b為內(nèi)窺鏡照明強度比較曲線圖，其示出了在輸入端有和沒有錐形熔融光纖束時的典型內(nèi)窺鏡的輸出分布，其中曲線112表示沒有錐形熔融光纖束的內(nèi)窺鏡，曲線114表示包含有錐形熔融光纖束的內(nèi)窺鏡。
圖6為根據(jù)本發(fā)明的一實施例使用的離軸照明系統(tǒng)的示意圖。
本發(fā)明涉及兩個數(shù)值孔徑不同的光發(fā)射光纖光導(dǎo)之間的有效耦合，其中一個光纖光導(dǎo)用來從光源進行光傳輸，而另一個則處于如內(nèi)窺鏡的需照明儀器的內(nèi)部。特別地，本發(fā)明涉及增加輸入光的數(shù)值孔徑來匹配輸出光纖的數(shù)值孔徑。
本發(fā)明用于高效地將低數(shù)值孔徑光轉(zhuǎn)換成高數(shù)值孔徑光的光學(xué)系統(tǒng)，特別是用于使用大數(shù)值孔徑照明光纖為內(nèi)窺鏡、管道鏡和包括牽引器、喉鏡、窺器、套管、抽氣套管和灌溉管的需照明儀器提供照明。這就導(dǎo)致了由以具有比光纖光傳輸系統(tǒng)更大的數(shù)值孔徑為特征的熔融束的輸出而產(chǎn)生的更寬、更均勻的照明視場。
本發(fā)明可應(yīng)用于與光源相連的光纖束或單光纖，其中光纖光導(dǎo)可以由石英、硼硅酸鹽玻璃或塑料制成。下面描述本發(fā)明和用于內(nèi)窺鏡的照明系統(tǒng)。
使用一個短的錐形熔融纖維光纖束，將低數(shù)值孔徑光輸入的輸出轉(zhuǎn)換成較高數(shù)值孔徑光輸出。輸入和輸出數(shù)值孔徑的轉(zhuǎn)換可以近似地由下式來描述DiNAi=DoNAo其中，Di是所述錐形熔融光纖束的所述輸入橫截面的直徑，NAi是耦合進錐形熔融光纖束輸入端面的光的數(shù)值孔徑。Do是所述錐形熔融光纖束的所述輸出橫截面的直徑，NAo是從所述錐形熔融光纖束的所述輸出橫截面發(fā)射的輸出光的數(shù)值孔徑。通過截短的輸出端的角度可以進一步增加所述輸出光的數(shù)值孔徑。當(dāng)光沿錐形熔融光纖束傳輸時，通過纖維與纖維的橫向耦合和纖維中導(dǎo)模(guide modes)與纖維間非導(dǎo)模之間的耦合，從使用所述熔融光纖束的內(nèi)窺鏡輸出的光的最終峰值強度被進一步減小。與現(xiàn)有技術(shù)中的錐形包覆棒或玻璃錐相比，錐形熔融光纖束在內(nèi)窺鏡的輸出強度分布中產(chǎn)生較小的波動，并且與現(xiàn)有技術(shù)中的透鏡組相比，錐形熔融光纖束成本低且容易裝配。
與光源相連的單光纖或光纖束的直徑等于Di，一般為2mm或更小。Di≤2Do及錐形熔融光纖束的纖維直徑小于0.1Do可使數(shù)值孔徑易于轉(zhuǎn)換為均勻輸出。熔融光纖束中小的纖維直徑使得短距離內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)NAi到NAo的高效絕熱轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明對于其中照明光纖輸入端面直徑小且數(shù)值孔徑大的內(nèi)窺鏡非常有用。在最佳實施例中，照明光纖具有2mm或更小的直徑，并且逐漸變細得到更小的直徑，這樣允許在內(nèi)窺鏡中使用非常少量的高NA的光纖，減少內(nèi)窺鏡的整體尺寸。
圖2a所示為根據(jù)本發(fā)明一個方面的一個實施例，包括一個錐形熔融光纖束10，用來接收在端面30處的橫截面積為d0、數(shù)值孔徑為NA0的輸入單照明光纖28的光。熔融光纖通過融合一束直徑較小的單光纖而成，且可以被制成多種幾何形狀。在本實施例中，熔融光纖束橫截面為圓形，熔融光纖束中的單個纖維的直徑小于100μm。纖維的直徑越小，數(shù)量越多，在錐形的輸出端模式混合與均勻程度越大。
光輸入端12具有第一橫截面積d1(圖2b中用14表示)和第一數(shù)值孔徑NA1。錐形光纖束10還具有一個用來輸出光的輸出端16。輸出端16具有第二橫截面積d2(圖2c中用18表示)和第二數(shù)值孔徑NA2。d1與d2間的錐角決定了光傳輸效率。為了產(chǎn)生大的數(shù)值輸出，d1必須大于d2，以導(dǎo)致NA1小于NA2。為了錐形熔融光纖束10將光導(dǎo)入數(shù)值孔徑為NA2的輸出，錐形熔融光纖束10的材料的數(shù)值孔徑必須至少等于NA2。
通過使用根據(jù)本發(fā)明的錐形熔融光纖束，從輸出端16出來的光在基本上整個的第二橫截面18具有大體均勻的輸出和更大的數(shù)值孔徑。這與使用錐形包覆棒或錐的現(xiàn)有技術(shù)完全不同，因為這些技術(shù)中不充分的模式混合，其光輸出一般為環(huán)狀。錐形熔融光纖束10的輸出被耦合進輸入橫截面積為d3、數(shù)值孔徑為NA3的第二光纖32，例如內(nèi)窺鏡中的微束。取決于應(yīng)用的不同，第二光纖32可以是單纖維或光纖束。在需要高功率的實施例中，第二光纖束32的輸入端34不含環(huán)氧樹脂。當(dāng)使用環(huán)氧樹脂時，光纖將吸收光并產(chǎn)生足以能夠熔化和燒毀的熱量，因此僅在使用小功率時才可應(yīng)用環(huán)氧樹脂。
本發(fā)明允許使用用于將光從一種面積/NA組合轉(zhuǎn)換成另一種面積/NA組合的錐形熔融光纖束，產(chǎn)生如圖2a所示的更大的照明輸出角。
為了利用本發(fā)明的優(yōu)點，需要一個將光耦合進2mm或更小直徑的光纖光導(dǎo)的高效光源。尤其最好是接近1∶1成像系統(tǒng)的光源。美國專利US4,757,431、US5,430,634和US5,414,600的離軸系統(tǒng)，與美國專利US5,509,095的在軸系統(tǒng)都能夠滿足這種需要。這種系統(tǒng)要求短的弧隙，且可以由包括氙、金屬鹵化物、鹵素、汞和汞-氙的多種燈來構(gòu)成。面積/NA的轉(zhuǎn)換根據(jù)輸入光纖直徑要求最小的長度，輸入光纖決定可能是熔融光纖束(本發(fā)明)或包覆棒(現(xiàn)有技術(shù))的光錐的輸入直徑。錐形熔融光纖束最好是由典型地直徑小于100μm的單個纖維組成。因此在相當(dāng)短的距離內(nèi)發(fā)生面積/NA轉(zhuǎn)換，這個距離大約為單纖維直徑的10倍或者說1mm。對于錐形包覆棒，錐的長度必須至少為輸入直徑的10倍，對于2-mm輸入而言，至少需要20mm長度。比這個結(jié)果更短的長度將造成更大的錐角、更高光損失和導(dǎo)致非均勻輸出的非充分模式混合。
在最佳實施例中，圖6示意性地給出了美國專利US4,757,431、US5,414,600和US5,430,634中描述的一種離軸照明器中的照明系統(tǒng)，在此引做參考。如圖6所示，離軸照明器包括光源20，該光源可以是氙燈或短弧金屬鹵燈。光源20照明具有軸24的反射鏡22。光源20的光被反射鏡22反射到相對反射鏡軸24離軸的的目標(biāo)物26。目標(biāo)物可以是例如如圖2a中所示的如單纖維28的單芯光纖的一端，或錐形熔融光纖束。
圖2a中所示的纖維28是第一光纖光導(dǎo)，用于接收光源發(fā)射的光并將光傳輸給錐形光纖束10的輸入端12。根據(jù)不同的應(yīng)用，第一光纖光導(dǎo)28可以是不同尺寸的塑料纖維?；蛘呃w維28可以是石英、硼硅酸鹽纖維或由塑料、石英或硼硅酸鹽纖維組成的光纖束。
根據(jù)本發(fā)明的一種照明系統(tǒng)，包括一個第二纖維光纖光導(dǎo)32。該第二光纖光導(dǎo)有一個用來接收來自于錐形光纖束10輸出端16的光并將光從錐形光纖束的輸出端16傳輸給內(nèi)窺鏡36的一端34。
圖3示出了第一光纖光導(dǎo)38，它是包含大量纖維的輸入光纖束，代替圖2中的單輸入纖維28。
圖3還示出了作為第二光纖光導(dǎo)的單纖維40，而不是如圖2a所示包括大量纖維32的光纖束。
如圖3還示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的一截斷的錐形熔融光纖束42。截斷指的是不一致的，而在輸出端它仍然是減小的熔融光纖束輸出端的直徑。在圖3所示的截斷的熔融光纖束實施例中，關(guān)于軸A的錐角大于0°。
在另一個實施例中，圖2a所示的單纖維輸入28可以同圖3所示的截斷錐42-起使用，圖2a所示的微束32或單纖維輸出40或錐形熔融光纖束10可以同輸入光纖束38和微束32或單纖維輸出40一起使用。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實施例，纖維28和光纖束38具有較小的數(shù)值孔徑，微束光纖32和纖維40具有較大的數(shù)值孔徑，即NA3大于NA0。
在最佳實施例中，錐形熔融光纖束10由直徑小于100μm的纖維組成。
如圖2a所示，根據(jù)最佳實施例，第一纖維28的端30的尺寸等于或小于熔融光纖束10的輸入端12的尺寸(d0小于或等于d1)，熔融光纖束10輸出端16的尺寸等于或小于光纖束32的端34的尺寸(d2小于或等于d3)。
錐形熔融光纖束產(chǎn)生基本上連續(xù)、平滑的輸出角分布。與之相反，現(xiàn)有技術(shù)中錐形包覆棒產(chǎn)生的是環(huán)形和渦狀形的分布。這些圓環(huán)和彎曲通過內(nèi)窺鏡照明光纖束傳輸，表現(xiàn)出如圖4所示的視場的不均勻性，其中曲線100是具有0.5NA光纜輸入的0.66NA玻璃錐的輸出強度分布，曲線102是具有0.5NA單纖維輸入的0.66NA錐形熔融光纖束的輸出強度分布。
在最佳實施例中，與光纖束內(nèi)部的單個纖維尺寸相比，錐形熔融光纖束很長。
錐形熔融光纖束的輸出強度分布由輸入光的數(shù)值孔徑和/或熔融光纖束的數(shù)值孔徑，以及由輸出與輸入端面積比所表示的錐度比率控制。精確的輸出強度分布還依賴于單個纖維尺寸，光纖束中纖維包覆厚度和單個纖維之間的交叉耦合程度。在最佳實施例中，纖維28的數(shù)值孔徑NA0等于或小于熔融光纖束10輸入端的數(shù)值孔徑NA1，熔融光纖束10輸出端的數(shù)值孔徑NA2大體上等于第二光纖32的數(shù)值孔徑。這種構(gòu)造可以基本上實現(xiàn)輸入到輸出功率的最佳耦合。
在另一個實施例中，為了通過過量填充來進一步增加輸出的均勻性，輸入纖維28的橫截面積d0等于或大于熔融光纖束10的輸入橫截面積d1，熔融光纖束10的輸出橫截面積d2等于或大于輸出纖維32的輸入橫截面積。同時，輸入纖維28的數(shù)值孔徑NA0等于或大于熔融光纖束10輸入端的數(shù)值孔徑NA1，熔融光纖束10輸出端數(shù)值孔徑NA2等于或大于第二纖維32的數(shù)值孔徑NA3。
通過下面并非旨在限制本發(fā)明的例子來進一步解釋本發(fā)明。例1使用直形包覆棒、錐形包覆棒、直形熔融光纖束和錐形熔融光纖束進行了實驗。它們通過使用直徑小于該設(shè)備，類似于點源的纖維，其中該纖維直徑大約與輸入直徑相同，以及直徑大于該設(shè)備、模擬擴展光源的光纖束來照明。
在所有情況下，直形和錐形熔融光纖束的輸出都呈現(xiàn)大體上連續(xù)的平滑場。另一方面，直形和錐形包覆棒的輸出呈現(xiàn)出變化的和非均勻的輸出場。在從顯示器或光纖束的輸入端到輸出端都顯示出在內(nèi)窺鏡應(yīng)用中所不希望出現(xiàn)的包覆棒輸出的非均勻性。而且，錐形熔融光纖束的輸出數(shù)值孔徑與圖5a和5b所示的錐度比率有關(guān)。
結(jié)果，通過使用該比率可以控制輸出照明分布。在另一方面，使用現(xiàn)有技術(shù)的錐形包覆棒尤其是長度在實用范圍內(nèi)的包覆棒，輸出數(shù)值孔徑不隨錐度比率而變化。而是大部分輸入光不被錐反射，直接被傳輸?shù)捷敵龆耍虼宋催_到錐用于NA轉(zhuǎn)換的作用。結(jié)果，輸出NA小于所需要的值。例2使用如美國專利US4,757,431、US5,414,600和US5,430,634描述的一種帶有離軸照明器耦合系統(tǒng)的單纖維照明器。色溫大約為6,000K。輸出到1.5mm塑料纖維的功率大約為1.5W到2.5W。通過使用根據(jù)美國專利申請序列號08/927,092的一段熔融光纖束，將0.5NA的1.5mm塑料纖維耦合到弧光燈，該專利申請在此引做參考。該塑料纖維的長度大約為10英尺，可以被消毒包裝一次使用或重復(fù)消毒使用。
在錐形熔融光纖束的輸出端直徑與輸入端直徑之比為大約33％的時候，使用0.66NA的熔融光纖束。包層大約為3μm的單個纖維的尺寸大約為30μm。或者，錐形熔融光纖束的輸出端在一個角度被截短，使得輸出NA大于熔融光纖束的NA。在1到1.5的錐度比率，可以觀察到優(yōu)于0.75的輸出NA，與通過錐形熔融光纖束輸入到輸出端的光強相比，總體效率大于60％。
本發(fā)明允許按需要改變NA。例如，為了得到較大的輸出數(shù)值孔徑，可使用較大的輸入數(shù)值孔徑輸入或較大的錐度比率。
光從錐形熔融光纖束傳輸?shù)絻?nèi)窺鏡的照明通道。根據(jù)在此引做參考的序列號為08/725,480的美國專利申請，它一般由纏繞在內(nèi)窺鏡的成像通道周圍的少量大數(shù)值孔徑、直徑為50μm數(shù)量級的光纖組成。在內(nèi)窺鏡的輸入端，纖維被集束在一起，形成直徑與熔融光纖束錐形端相匹配的一小束光纖。在最佳實施例中，為了應(yīng)用于高輸入功率，照明通道的輸入端被制備為不含膠或環(huán)氧樹脂。對于低功率應(yīng)用，可以使用含有環(huán)氧樹脂的內(nèi)窺鏡輸入光纖束。輸入到該光纖束的光來自于錐形熔融光纖束的輸出端，其中該錐形熔融光纖束的輸入端直接或通過光纖耦合到光源。
權(quán)利要求
1.一種用于使高強度光傳輸給需照明儀器所需橫截面積減小到最小，并用于使照明場的均勻性增加到最大的照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個橫截面積為d0、數(shù)值孔徑為NA0的第一光纖光導(dǎo)，其具有一輸入端和一輸出端，其中所述輸入端與光源相連；一個錐形熔融光纖束，其具有與所述第一光纖光導(dǎo)的所述輸出端毗鄰的光輸入端，用來接收來自于所述第一光纖光導(dǎo)的所述輸出端的光，該光輸入端具有第一橫截面積d1和第一數(shù)值孔徑NA1，所述錐形熔融光纖束具有一用于輸出光的輸出端，該輸出端具有第二橫截面積d2和第二數(shù)值孔徑NA2，其中所述熔融光纖束在所述輸入端和所述輸出端之間逐漸變細，以便所述第一橫截面積大于所述第二橫截面積；一個橫截面積為d3、數(shù)值孔徑為NA3、包括輸入端與輸出端的連接于一需照明儀器的第二光纖光導(dǎo)，其中所述第二光纖光導(dǎo)的所述輸入端與所述熔融光纖束的輸出端毗鄰，用于接收來自于與所述第一光纖光導(dǎo)毗鄰的所述熔融光纖束的光，其中所述第二光纖光導(dǎo)將光傳輸給所述需照明儀器的所述第二光纖光導(dǎo)的所述輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中光源從包括氙、金屬鹵化物、鹵素、汞和汞一氙的光源組中進行選擇。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第二光纖光導(dǎo)所連接的需照明儀器可以從包括內(nèi)窺鏡、管道鏡、牽引器、喉鏡、窺器、套管、抽氣套管和灌溉管的儀器組中進行選擇。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一光纖光導(dǎo)從包括單個石英纖維、單個塑料纖維、多石英纖維、多玻璃纖維和多塑料纖維的組中選擇。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述橫截面積d3不大于所述橫截面積d2。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一光纖光導(dǎo)的所述橫截面積，所述熔融光纖束和所述第二光纖光導(dǎo)的關(guān)系為，d0至少等于d1,d1大于d2以及d2至少等于d3。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述熔融光纖束材料的數(shù)值孔徑至少要等于所述第二數(shù)值孔徑NA2。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)值孔徑的關(guān)系為，NA0至少要等于NA1,NA1小于NA2以及NA2至少要等于NA3。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一光纖光導(dǎo)的直徑為2mm或更小。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中第一數(shù)值孔徑小于第二數(shù)值孔徑。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中第一光纖光導(dǎo)的輸出端的直徑等于或小于錐形熔融光纖束的輸入端的直徑。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中錐形熔融光纖束的第一橫截面積大于第二橫截面積。
13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第二光纖光導(dǎo)從包括單纖維和多纖維的組中進行選擇。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中錐形熔融光纖束的輸出端的直徑等于或小于第二光纖光導(dǎo)的輸入端的直徑。
15.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中第二光纖光導(dǎo)的數(shù)值孔徑大體上等于錐形熔融光纖束的輸出端的數(shù)值孔徑。
16.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述錐形熔融光纖束的所述輸出端的所述數(shù)值孔徑至少要等于所述第二光纖光導(dǎo)的所述數(shù)值孔徑，以使所述需照明儀器有最大的輸出均勻性。
17.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第二光導(dǎo)由多個纖維組成，其中所述輸入端沒有粘性劑。
18.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述錐形熔融光纖束由直徑小于100μm的纖維組成。
19.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述錐形熔融光纖束的所述輸入和輸出端橫截面為圓形。
20.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述錐形熔融光纖束在輸出端被截斷，使得輸出端具有錐形的形狀。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述錐形的輸出端具有大于0℃的錐角。
22.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括位于光源與第一光導(dǎo)之間的集光與聚光系統(tǒng)。
23.一種用于使輸出和照明場的均勻性為最大的內(nèi)窺鏡照明系統(tǒng)，其包括一個橫截面積為d0、數(shù)值孔徑為NA0的第一光纖光導(dǎo)，具有一個輸入端和一個輸出端，其中所述輸入端與光源相連；一個錐形熔融光纖束，具有一個面積為d1、數(shù)值孔徑為NA1的輸入端和一個面積為d2、數(shù)值孔徑為NA2的輸出端，使得NA2大于NA1且d2小于d1，其中所述輸入端被耦合到所述第一光纖的輸出端；一個位于內(nèi)窺鏡內(nèi)部的第二光纖光導(dǎo)，具有數(shù)值孔徑為NA3、面積為d3的輸入端和輸出端，其中第二光纖的所述輸入端被耦合到錐形熔融光纖束的輸出端。
24.如權(quán)利要求23所述的內(nèi)窺鏡照明系統(tǒng)，其中面積d0小于或等于d1。
25.如權(quán)利要求23所述的內(nèi)窺鏡照明系統(tǒng)，其中面積d2小于或等于d3。
26.如權(quán)利要求23所述的內(nèi)窺鏡照明系統(tǒng)，其中數(shù)值孔徑NA0與NA1大致相等。
27.如權(quán)利要求23所述的內(nèi)窺鏡照明系統(tǒng)，其中數(shù)值孔徑NA2與NA3大致相等。
28.如權(quán)利要求23所述的內(nèi)窺鏡照明系統(tǒng)，其中第一光纖光導(dǎo)是塑料纖維。
29.如權(quán)利要求23所述的內(nèi)窺鏡照明系統(tǒng)，其中第二光纖光導(dǎo)是光纖束。
30.如權(quán)利要求23所述的內(nèi)窺鏡照明系統(tǒng)，其中所述第一光纖光導(dǎo)具有直徑不大于2mm的圓形橫截面。
31.如權(quán)利要求23所述的內(nèi)窺鏡照明系統(tǒng)，其中所述錐形熔融光纖束的所述輸出端將由所述錐形熔融光纖束的所述輸入端接收的光的60％傳輸給所述第二光纖光導(dǎo)。
全文摘要
一種照明系統(tǒng)包括光源和具有一光輸入端的錐形熔融光纖束，該光輸入端具有第一橫截面積和第一數(shù)值孔徑，錐形光纖束具有一光輸出端，該輸出端具有第二橫截面積和第二數(shù)值孔徑。該熔融光纖束在輸入端與輸出端之間逐漸變細，使得第一與第二橫截面的尺寸不同，因此從輸出端出來的光具有更大的數(shù)值孔徑。第一光纖光導(dǎo)用于從光源接收光并將光傳輸?shù)藉F形光纖束的輸入端。第二光纖光導(dǎo)從光纖束的輸出端將光傳輸?shù)絻?nèi)窺鏡或其它需照明儀器。
文檔編號A61B17/02GK1317100SQ99810651
公開日2001年10月10日 申請日期1999年7月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月24日
發(fā)明者欽?！む? 肯尼斯·K·利, 道格拉斯·M·布倫納 申請人:考金特光學(xué)技術(shù)公司