[发明专利]将低数值孔径光输入耦合至高数值孔径光学仪器内的设备

说明书

本发明涉及光耦合设备领域。

通常通过光纤束来将光束从光源传输至内窥镜或其它需照明仪器(lighted instruments)，例如需照明牵引器，其中光纤束由数千根捆在一起的单光纤组成以形成较大直径的光缆。光纤束的尺寸一般决定于耦合至光纤束的光源的特性及需照明仪器所需的光通量。以内窥镜为例来进行说明。内窥镜内的光纤束的尺寸决定于所需光通量以及内窥镜内的可用空间。对于小直径内窥镜，光纤束的可用空间使得内部光纤束的直径小于光传输光纤束的直径。因此，内窥镜的照明没有充分地利用可用的光输出。这种尺寸的不匹配降低了效率并且在内窥镜中产生了不利的热量。

除了传输至内窥镜的总光量之外，另一个考虑是使视场与照射角匹配。光传输光纤束中所用光纤的典型数值孔径NA为0.55，而内窥镜中内光纤束的数值孔径一般为0.66，尽管大于80度的广角内窥镜一般采用0.8或更高数值孔径的光纤束以对内窥镜的象场的外围区域提供充足的光强。当来自光纤束的较低数值孔径光束被导入内窥镜中较高数值孔径的照明光纤时，该光束不能全部激发高数值孔径中的所有可用模式，特别是较高级模式。这使得内窥镜输出端的照明范围比所需要的窄，视场照明不均匀，在象场中央部分照明过度，而在其周围照明不足。因此，需要将来自光缆的较小NA输入光转换成照明光纤末端的较大NA输出光。

已有采用如下方法将输入光分布的较小NA转换成在内窥镜端的较大NA输出照明分布：

-在内窥镜的输入端采用如图1所示的玻璃锥或锥形包覆棒(tapered cladded rod)1，包括一个大直径光纤束2和一个在内窥镜中的较小直径光纤束3。

-在内窥镜的输入端采用透镜将光束聚焦成大角度。

-在内窥镜的输出端采用负透镜来扩展光束。

-在内窥镜内部以螺线方式排列照明光纤以扩展光束。

美国专利US4,953,937描述了来自光纤束的光束与内窥镜照明光纤输入端的耦合，其通过在光纤束与内窥镜输入端之间插入一光学系统来调整输入光纤束的输出分布，从而在内窥镜的输出端提供更平坦的和/或更宽广的照明场。美国专利US4,953,937的光学系统包括下述元件的不同组合：不同形状和焦距的正透镜、周边被包覆的透镜、包覆芯棒、具有菲涅尔透镜表面的正透镜和具有透镜的锥形光导。

美国专利US4,576,435和US4,483,585公开了一种“管状”反射镜(锥形或非锥形包覆芯棒)，其连接于照明光纤的输入端面。灯输出的光分布的强度剖面被扩展开，峰值光强在照明光纤的输入端面处得以降低，从而减少了使光纤束烧着的可能性。

美国专利US4,747,660提出将具有不同端面结构的成一定角度的包覆芯棒插入在灯的焦点处。其所产生的输出角分布在较大的角度比沿着轴线具有较高的输出。也可以采用一个简单的光楔来实现该相同效果。

美国专利US4,584,988采用特定成型的端面部件和连接在照明光纤末端端面处的特殊透镜系统，来提供更宽角度的照明。

美国专利US3,874,783描述了通过将两个光纤束轴向不对称地耦合在一起来增加数值孔径的方法。这有效地增大了接收光纤束端面处的输入角，从而增大了第二光纤束的输出角。也可以通过调整输入和输出光纤束使两端面的法线夹角θ＞0来实现相同效果。然而，对于将光耦合进内窥镜的现有技术，在内窥镜照明通道的输入端面采用玻璃锥或包覆棒(锥形或非锥形)，造成了低的光效率和照明场的非均匀性。透镜系统倾向于体积大、造价高并且难于调整。光通道周围的照明光纤束的螺旋形布局结构不仅难于制造，而且如果内窥镜内部的照明光纤束的分布不是环形的，这种螺旋形布局结构也不奏效。内窥镜末端的负透镜不仅价钱昂贵，而且难以制造更小的内窥镜。而且，由于在光传输光纤束与内窥镜内部光纤束之间区域上较大的失配，降低了任何将输入光的数值孔径转换到内窥镜的光学方法的效率。

本领域需要一种改进的内窥镜及需照明仪器照明系统。