[发明专利]采用光学耦合器进行的由单根光纤至光纤束的照明

说明书

发明背景

技术领域

本发明一般涉及光学耦合器，具体涉及将一个光纤镜片或光纤镜片束发射出的光线耦合进入另一光纤镜片或光纤镜片束的光学耦合器。

相关技术的说明

常常要求将一个光纤镜片束发射出的光线耦合进入另一光纤束，或进入一个光学照明装置。这些实例包括诸如内窥镜、管道探测镜和外科头顶灯或照明灯在内的医疗照明装置。对于这些医疗照明装置，光线通常通过将光纤镜片束与装置直接连接而被耦合进入装置，或通过将光纤镜片束与和照明装置连接的第二光纤束耦合，而被耦合进入装置。

这些医疗照明装置的内部光学元件设计成在接受从具有某一数值孔径(numerical aperture，NA)范围的光纤束射出的光线时，能适当地运行。更具体地说，光纤束是分布源，它们要求接受照明装置的输出特性被设计成与光线发射光纤束的光学特性相匹配。连接具有不同数值孔径的光纤束可使医疗照明装置变成对其预定目的无效。假如与医疗照明装置连接的光纤束所具的数值孔径不足够低，则从装置射出的输出光束的光束宽度就不足以照明所关心的外科手术范围。一般说，耦合进入照明装置的光线应具有适当的数值孔径和大致均匀的束截面。通常采用能提供具有要求均匀度和数值孔径光线的光纤束作为这种照明装置应用的常规光学源。

需提出的是，几乎所有医疗照明装置的运行都不一样，甚至相同制造商和型号的两个视野也不相同。不管输入如何，都似乎是这样。

本申请的权利受让人，科真特光学技术公司(Cogent Light Technologies)提出了一种用于医疗照明装置的光学源，它采用单根光纤光线发射系统以代替光纤束。单根光纤优于光纤束的一个优点是单根光纤接近点光源，它比光纤束具有更为精确限定的光学性能。单根光纤能提供在光纤顶端具有高能量密度的、非常高强度的输出光束。

但是，为将单根光纤光线发射系统与一个具有光纤束的照明装置的输入口连接，要求将单根光纤发射出的光线输出处理成与照明装置内部的光线发射光纤束的特性匹配。为达到这一目的，需要有一个光学耦合器把光纤的数值孔径和高斯(Gaussian)型分布转换成能获得单根光纤发射出的光线与照明装置输入口之间匹配的光学特性。简单光学耦合器的一个实例是一个能将单根光纤的出口孔邻近光纤束入口孔放置，从而提供“对头”接触的装置。单根光纤与多根光纤的简单对接，由于单根光纤发射出输出光束的高强度，以及由于单根光纤在光纤顶端的高能量密度会造成对光纤束的损害。此外，按照这种对头接触放置的远近不同，由光纤进行的光纤束照明可能造成光线被优先地耦合进入光纤束最中心的那些光纤中，假如光纤束中的光纤没有在照明装置内部随机地加以分散，则可能引起光线在光纤束末端的不均匀分布。这种输入的不均匀分布可能进一步降低医疗照明装置的性能。

将光纤与光纤束耦合的另一种方法是在单根光纤与光纤束之间放置一个透镜以便使单根光纤发射出的光线平行地进入光纤束。虽然这种结构为进入光纤束周边光纤提供了较好的耦合，但在光纤束内的光线的最终数值孔径可能不足以为医疗照明装置所应用。另外，光纤束的入口平面位于远场之内，因而在光纤束入口的入射光线具有高斯型分布，而不是如在近场中发生的那样的均匀分布。因而，即使降低数值孔径不成问题的话，那末缺少光束的均匀性也仍成为一个问题。

虽然主要根据单根光纤至光纤束的耦合进行讨论，但当单根光纤直接耦合至诸如内窥镜的包含光纤束的照明装置的输入口时，也发生前述问题。对于内窥镜，问题变得更为复杂，因为它们的结构可能还包括用于将内窥镜的输入数值孔径匹配至视场较大的数值孔径以获得较大照明范围的光学系统。用以获得具有较高数值孔径的较大照明范围以与视场匹配的一般方法是在内窥镜输入处应用一个锥体。在这种情况下，单根光纤至包含在内窥镜内部的较高数值孔径的光纤束的光学耦合是通过增加进入内窥镜的光线的有效数值孔径而获得的。对于这种设计的视野，为将单根光纤的输出与内窥镜的光学设计相匹配，还有其它的技术要求。在将单根光纤发射出的光线耦合进入非随机光纤束时也存在相似问题。将较小的光纤束耦合至较大的光纤束时也涉及光学匹配问题。

值得注意的是，某些照明装置使用的输入口包含一个复合抛物面聚集器(复合抛物面聚集器)，它将光线耦合进入较高数值孔径的、较小的、存在于照明装置内部的复合抛物面聚集器之下的光纤束。当试图将单根光纤与具有复合抛物面聚集器的输入口进行耦合时，也存在与以上描述相似的问题。