CN109143538A - 用于内窥镜的物镜和内窥镜 - Google Patents

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Abstract

一种用于内窥镜(24、25)的物镜(1)包括：包括平凸棒状透镜(7)的物体侧透镜元件(2)和包括布置在该物镜(1)的图像侧末端处的双凸透镜(13)的图像侧透镜元件(3)。该物体侧透镜元件(2)包括形成前透镜(4)的平凸第一透镜(5)和双凹第二透镜(6)，并且它们以此顺序被布置在形成第三透镜的该平凸棒状透镜(7)的物体侧。如从物体侧查看的，该图像侧透镜元件(3)包括双凸第四透镜(9)、平凹第五透镜(10)、以及双凹第六透镜(12)，它们以此顺序被布置在该双凸透镜(13)的物体侧，该双凸透镜(13)被布置在该物镜(1)的图像侧末端处并且形成第七透镜。

Description

用于内窥镜的物镜和内窥镜
技术领域
本发明涉及一种用于内窥镜的物镜，该物镜具有包括平凸棒状透镜的物体侧透镜元件和包括布置在物镜的图像侧末端处的双凸透镜的图像侧透镜元件。此外，本发明涉及单目内窥镜或立体内窥镜。
背景技术
内窥镜被特别用于微创手术，以允许手术医生能洞察手术区域所处的身体部位。在内窥镜杆的远端处，通常布置有物镜，其收集从待观察物体发出的光并生成物体的真实中间图像。借助于布置在物镜下游的光学中继系统将该中间图像传送到内窥镜杆的近端。在内窥镜杆的近端布置目镜，该目镜为人眼成像真实中间图像或借助于相机物镜将真实中间图像成像到传感器表面上。
特别是在刚性内窥镜的情形中，往往难以或甚至不可能定向内窥镜，以使得待观察物体位于刚性内窥镜杆的轴线上。典型地，为此生产物镜，其提供至少一个光束偏转并且因此允许观察不位于内窥镜杆的轴线上的物体。
其中物体侧透镜元件的光轴相对于内窥镜杆的轴线成角度的内窥镜在下文中被称为倾斜视角(angled-view)内窥镜。与此相反，仅允许观察基本上位于内窥镜杆的轴线上的物体的内窥镜被称为直视(straight-view)内窥镜。
从文档CN 105093515 A已知一种用于直视内窥镜的物镜，其包括两个透镜元件，其中布置在物体侧的透镜元件包括玻璃棒以及平凸棒状透镜，并且布置在图像侧的透镜元件包括双凸透镜。文档CN 105093515 A进一步公开了一种用于倾斜视角内窥镜的物镜。为此要求的光束偏转借助于棱镜来实现。
在文档US 5,051,824A中，同样公开了一种用于倾斜视角内窥镜的物镜。
发明内容
从已知的现有技术出发，本发明的目的是指定一种用于内窥镜的物镜，该物镜具有简单且紧凑的结构以及高光学质量。
该目的通过具有权利要求1的特征的物镜和具有权利要求15的特征的单目内窥镜或立体内窥镜来解决。有利的改进在从属权利要求中指定。
本发明的用于内窥镜的物镜包括：包括平凸棒状透镜的物体侧透镜元件和包括布置在物镜的图像侧末端处的双凸透镜的图像侧透镜元件。物体侧透镜元件包括形成前透镜的平凸第一透镜和双凹第二透镜，并且它们以此顺序被布置在形成第三透镜的平凸棒状透镜的物体侧上。如从物体侧查看的，图像侧透镜元件包括双凸第四透镜、平凹第五透镜、以及双凹第六透镜，它们以此顺序被布置在双凸透镜的物体侧上，该双凸透镜被布置在物镜的图像侧末端处并且形成第七透镜。
本发明的物镜的光学元件有利地交互，以生成高光学质量的中间图像。特别地，图像侧透镜元件的特定设计生成具有所限定的负像场曲率的中间图像。图像场曲率可以通过进一步的光学元件、特别是光学中继系统和目镜来校正，从而获得没有显著图像场曲率(或具有小失真和/或没有散光)的图像。根据本发明的物镜进一步仅包括少量组件或光学组件部分，并且因此具有简单且紧凑的结构。结果，实现了具有高光学质量的简单且紧凑的结构。具体而言，根据本发明的物镜具有相对较小的直径，例如，具有大于70°的视场(FOV)。
在一有利实施例中，图像侧透镜元件的双凸第四透镜、平凹第五透镜、双凹第六透镜、和/或双凸第七透镜彼此粘合。通过使用经粘合的透镜(在下文中也被称为经粘合的元件)，生产和组装成本可被显著降低。具体而言，整个图像侧透镜元件可被形成为单个组件。
在进一步的有利实施例中，物体侧透镜元件的平凸第一透镜和双凹第二透镜彼此粘合。这两个透镜一起在下文中也被称为前透镜。前透镜可以特别是被形成为消色差透镜。此外，双凹第二透镜可被粘合到平凸第三透镜。结果，物体侧透镜元件可被形成为单个组件。
当前透镜的光轴相对于内窥镜的内窥镜杆的纵向轴线成角度时、当在双凹第二透镜与平凸第三透镜之间布置棱镜以使得它引起从前透镜的光轴到内窥镜的内窥镜杆的纵轴的光束偏转时，以及当棱镜被粘合到平凸第三透镜时是有利的。具有用于光束偏转的棱镜的各实施例在下文中也被称为倾斜视角物镜，以将它们与没有棱镜的直视物镜区分开来。
在倾斜视角物镜的有利改进中，在双凹第二透镜与棱镜之间布置了与双凹第二透镜和棱镜粘合的平面平行玻璃板。平面平行玻璃板可以特别是被形成为使得倾斜视角物镜的玻璃中的路径的长度被扩展成直视物镜的玻璃中的路径的长度。当直视物镜中的物体侧透镜元件的玻璃中的路径的长度等于倾斜视角物镜中的玻璃中的路径的长度时，图像侧透镜元件可在这两个实施例中被相同地形成。
在直视物镜的有利改进中，玻璃棒、特别是具有两个平面平行表面的玻璃棒被布置在前透镜与平凸第三透镜之间。玻璃棒可被粘合到平凸第三透镜和双凹第二透镜。通过布置玻璃棒，实现了平凸第三透镜在用于直视的实施例和用于倾斜视角的实施例两者中具有相同的长度，而物镜的长度不必作为整体来适配。
优选地，物体侧透镜元件的平凸第一透镜、双凹第二透镜、玻璃棒、和/或平凸第三透镜，和/或棱镜，和/或平面平行玻璃板，和/或图像侧透镜元件的双凸第四透镜、平凹第五透镜、双凹第六透镜、和/或双凸第七透镜由火石玻璃制成。
平凸第一透镜、玻璃棒、平凸第三透镜、平面平行玻璃板、双凸第四透镜、平凹第五透镜、双凹第六透镜、和/或双凸第七透镜例如具有抗反射涂层。抗反射涂层用于减少散射光以及物镜的光学质量的相关联的恶化。此外，抗反射涂层还增大了光学透射。
棱镜特别是在光被反射以用于光束偏转的那些表面上具有高反射涂层。这种涂层藉由反射之际的透射来减小光损失。
在一有利改进中，平凸第一透镜、双凹第二透镜、棱镜和/或平面平行玻璃板被材料围绕，以使得元件的相应直径与平凸第三透镜和/或玻璃棒的直径匹配。因此，可以实现物镜的光学组件部分具有共同的直径，这促成了组装并增大了光学和机械稳定性。
此外，在前透镜的物体侧上布置平面平行盘(其例如由蓝宝石制成)是有利的。由于蓝宝石的光学性质(特别是在相关波长中的高透射水平)、其化学性质(特别是蓝宝石是化学惰性的)、及其机械性质(特别是其耐刮擦性和耐磨性)，使用蓝宝石是有利的。
在进一步的有利改进中，物镜在物体侧透镜元件与图像侧透镜元件之间具有机械分离点。
机械分离点使得按特别容易的方式通过以其他方式形成的物体侧透镜元件来替换物体侧透镜元件是可能的。通过在针对直视和倾斜视角的设计中提供不同的、机械安装的物体侧透镜元件，具有不同视角的内窥镜可被特别容易地实现。
本发明进一步涉及供在立体内窥镜中使用的立体物镜。立体物镜包括上述类型的两个物镜。
本发明的进一步方面涉及单目内窥镜或立体内窥镜。单目内窥镜包括如前所述的物镜。立体内窥镜包括刚才提及的立体物镜。
附图说明
本发明的进一步特征和优点源于以下描述，其在结合所附附图的各实施例的基础上更加详细地解释了本发明。
图1示出了用于内窥镜的物镜的实施例；
图2示出了用于根据图1的物镜的图像侧透镜元件的实施例；以及
图3示出了包括根据图1的物镜的单目内窥镜的实施例；以及
图4示出了包括根据图1的两个物镜的立体内窥镜的实施例。
具体实施方式
图1以示意图示出了用于内窥镜24、25的物镜1的实施例。在所示出的实施例中，物镜1是直视物镜，即所示出的实施例适合于观察基本上位于图1中未示出的内窥镜杆的轴线O1上的物体。
物镜1包括布置在物体侧的透镜元件2和布置在图像侧的透镜元件3。物体侧透镜元件2通过机械分离点22与图像侧透镜元件分开。
如从物体侧查看的，物体侧光学元件2包括前透镜4、具有两个平面平行表面的玻璃棒14、以及形成为棒状透镜的平凸第三透镜7。前透镜4由平凸第一透镜5和双凹第二透镜6形成。前透镜4的两个透镜5、6彼此粘合。前透镜4粘合到玻璃棒14。此外，玻璃棒14粘合到平凸第三透镜7，以使得物体侧透镜元件2形成单个组件部分。蓝宝石玻璃窗17被布置在前透镜4的物体侧。
如从物体侧查看的，图像侧透镜元件3包括第一透镜群8和第二透镜群11。如从物体侧查看的，第一透镜群8包括彼此粘合的双凸第四透镜9和平凹第五透镜10。如从物体侧查看的，第二透镜群11包括同样彼此粘合的双凹第六透镜12和双凸第七透镜13。例如，通过将平凹第五透镜10和双凹第六透镜12粘合来将图像侧透镜元件3的两个透镜群8、11彼此连接，以使得图像侧透镜元件3形成单个组件部分。然而，在根据图1的实施例中，图像侧透镜元件3的两个透镜群8、11不粘合。
前透镜4、平凸第三透镜7、第一透镜群8的双凸第四透镜9、第一透镜群8的平凹第五透镜10、以及第二透镜群11的双凸第七透镜13在非粘合表面上具有抗反射涂层18。此外，物镜1在双凹第二透镜6和平凹第五透镜10上具有黑化表面19。
如果单独考虑，则图像侧透镜元件3的第一透镜群8和第二透镜群11各自形成一个消色差场透镜。图像侧透镜元件3生成具有所限定的负像场曲率的经色度校正的中间图像31。机械分离点22允许容易地交换物体侧透镜元件2。黑化表面19在物镜1中具有光阑的效果(特别是每次作为用于散射光最小化的光阑而不是作为视场光阑或孔径)。
表1示出了根据图1的物镜1的透镜数据。光学有效表面在表1中从物体侧起以1至10编号。所有长度信息以单位[mm]表示。玻璃的名称遵循肖特(Schott)命名法。
在表2中，示出了根据图1的物镜1的旁轴光学数据。
表1
表2
图2示出了用于根据图1的物镜1的物体侧透镜元件2的实施例。图2中所示的物体侧透镜元件2适合于在倾斜视角物镜中使用。根据图2的物体侧透镜元件2与根据图1的物体侧透镜元件2基本上通过布置在前透镜4和平凸第三透镜7之间的棱镜15来区分。此外，这里，物体侧透镜元件2包括布置在前透镜4与棱镜15之间的平面平行玻璃板16。棱镜15由三个元件15a、15b、15c形成，其中仅一个元件(15b)在光学上有效。反射进入物镜1的光的棱镜15的表面例如具有高反射涂层20。在所示出的实施例中，相反，两个外部元件15a、15c具有比内部元件15b低的折射率，作为其结果可以实现边界界面处的全反射。因此，在根据权利要求1的实施例中高反射涂层不是绝对必要的。
棱镜15实现从前透镜4的光轴O2到图2中未示出的内窥镜杆的轴线O1的光束偏转。倾斜使得能够观察不位于内窥镜杆的轴线O1上的物体。示例性地示出了轴线的倾斜达30°，但是也可以构想其他倾斜角度，例如15°、45°或90°。平面平行玻璃板16规定根据图2的物体侧透镜元件2的玻璃中的路径的长度对应于根据图1的物体侧透镜元件2的玻璃中的路径的长度。这里，玻璃中的路径特别对应于由光学元件内的光所覆盖的路径。作为结果，在这两个实施例中，图1中示出的图像侧透镜元件3可以与相应的物体侧透镜元件2一起使用。根据图1的物镜1的机械分离点22允许交换物镜1的物体侧透镜元件2(例如，通过根据图2的物体侧透镜元件2)，以实现具有倾斜视角的内窥镜24。内窥镜24因此可以容易地适于不同的需求。
在图3中，示出了单目内窥镜24的实施例，其包括根据图1的物镜1。如从物体侧查看的，单目内窥镜24包括：物镜1、具有带有若干中继模块组件27a至27e的中继模块27的光学中继系统28、以及目镜26。此外，内窥镜24具有杆30，在该杆30中布置了前述元件。
布置在内窥镜24的远端处的物镜1生成待观察物体的第一中间图像31。中继系统27将远端的第一中间图像31成像到近端的第二中间图像32上。因此，中继系统27传递第一中间图像31，可以说是从内窥镜24的远端到近端。布置在内窥镜24的近端处的目镜26最终将第二中间图像32成像到未在图3中示出的相机传感器上。
由物镜1生成的远端中间图像31具有负像场曲率。光学中继系统28被设计成校正物镜1的负像场曲率。因此，在所有光学组件部分的紧凑结构下，内窥镜24的图像不具有图像场曲率或仅具有可忽略的图像场曲率。
立体内窥镜25的实施例在图4中示意性地示出。与图3所示的单目内窥镜24相比，立体内窥镜25具有两个光学通道。立体内窥镜25具有杆30，其中如从远端查看的，布置了物镜23、具有用于两个光学通道中的每一者的两个中继模块27的光学中继系统28(立体中继系统)、以及近端布置的目镜29。
物镜23由根据图1的两个物镜1形成。两个物镜1之一被指派给光学通道之一。两个物镜1中的每一者从待观察物体生成第一中间图像31。根据图2的立体中继系统28将两个远端的中间图像31中的一者各自成像在两个近端的中间图像32中的一者上。以此方式生成的近端的中间图像32随后由目镜29成像到图4中未示出的相机传感器上。
附图标记列表
1 物镜
2 物体侧透镜元件
3 图像侧透镜元件
4 前透镜
5 平凸第一透镜
6 双凹第二透镜
7,7’ 平凸第三透镜(棒状透镜)
8 第一透镜群
9 双凹第四透镜
10 平凹第五透镜
11 第二透镜群
12 双凹第六透镜
13 双凸第七透镜
14 玻璃棒
15 棱镜
16 平面平行玻璃板
17 蓝宝石玻璃窗
18 抗反射涂层
19 黑化表面
20 高反射涂层
22 机械分离点
23 立体物镜
24 单目内窥镜
25 立体内窥镜
26,29 目镜
27 中继模块
28 中继系统
30 杆
31,32 中间图像
O1 内窥镜杆的轴线
O2 前透镜的光轴

Claims (15)

1.一种用于内窥镜(24、25)的物镜(1)，所述物镜(1)包括：包括平凸棒状透镜(7)的物体侧透镜元件(2)和包括布置在所述物镜(1)的图像侧末端处的双凸透镜(13)的图像侧透镜元件(3)，其特征在于，所述物体侧透镜元件(2)包括形成前透镜(4)的平凸第一透镜(5)和双凹第二透镜(6)，所述平凸第一透镜(5)和所述双凹第二透镜(6)以此顺序被布置在形成第三透镜的所述平凸棒状透镜(7)的物体侧，并且如从所述物体侧查看的，所述图像侧透镜元件(3)包括双凸第四透镜(9)、平凹第五透镜(10)、以及双凹第六透镜(12)，所述双凸第四透镜(9)、所述平凹第五透镜(10)、以及所述双凹第六透镜(12)以此顺序被布置在所述双凸透镜(13)的物体侧，所述双凸透镜(13)被布置在所述物镜(1)的图像侧末端处并且形成第七透镜。
2.如权利要求1所述的物镜(1)，其特征在于，所述物体侧透镜(2)的所述平凸第一透镜(5)和所述双凹第二透镜(6)以及所述平凸第三透镜(7)彼此粘合。
3.如权利要求1或2所述的物镜(1)，其特征在于，所述图像侧透镜元件(3)的所述双凸第四透镜(9)、所述平凹第五透镜(10)、所述双凹第六透镜(12)、和/或所述双凸第七透镜(13)彼此粘合。
4.如权利要求1到3中的一项所述的物镜(1)，其特征在于，所述平凸第三透镜(7)由彼此粘合的平凸棒状透镜(7')和玻璃棒(14)形成。
5.如权利要求4所述的物镜(1)，其特征在于，所述玻璃棒(14)由火石玻璃制成和/或具有抗反射涂层(18)。
6.如权利要求1到3中的一项所述的物镜(1)，其特征在于，所述前透镜(4)的光轴(O2)相对于所述内窥镜(24、25)的内窥镜杆的纵轴(O1)成角度，在所述双凹第二透镜(6)和所述平凸第三透镜(7)之间布置有棱镜(15)以使得所述棱镜(15)引起从所述前透镜(4)的所述光轴(O2)到所述内窥镜(24、25)的所述内窥镜杆的所述纵轴(O1)的光束偏转，并且所述棱镜(15)被粘合到所述平凸第三透镜(7)。
7.如权利要求6所述的物镜(1)，其特征在于，在所述双凹第二透镜(6)与所述棱镜(15)之间布置并且粘合有平面平行玻璃板(16)。
8.如权利要求6或7所述的物镜(1)，其特征在于，所述棱镜(15)具有高反射涂层(20)。
9.如权利要求1到8中的一项所述的物镜(1)，其特征在于，所述平凸第一透镜(5)、所述双凹第二透镜(6)、所述平凸第三透镜(7)、所述双凹第四透镜(9)、所述平凹第五透镜(10)、所述双凹第六透镜(12)、和/或所述双凸第七透镜(13)由火石玻璃制成。
10.如权利要求1到9中的一项所述的物镜(1)，其特征在于，所述平凸第一透镜(5)、所述双凹第二透镜(6)、所述平凸第三透镜(7)、所述双凹第四透镜(9)、所述平凹第五透镜(10)、所述双凹第六透镜(12)、和/或所述双凸第七透镜(13)具有抗反射涂层(18)。
11.如权利要求1到10中的一项所述的物镜(1)，其特征在于，所述平凸第一透镜(5)和所述双凹第二透镜(6)由材料(33)径向地围绕，以使得所述前透镜(4)的直径与所述平凸第三透镜(7)的直径匹配。
12.如权利要求1到11中的一项所述的物镜(1)，其特征在于，蓝宝石玻璃窗(17)被布置在所述平凸第一透镜(5)的物体侧上。
13.如权利要求1到12中的一项所述的物镜(1)，其特征在于，在所述物体侧透镜元件(2)和所述图像侧透镜元件(3)之间布置有机械分离点(22)，所述机械分离点(22)被形成以交换所述物体侧透镜元件(2)。
14.一种立体物镜(23)，其包括如权利要求1至13中的一项所述的两个物镜(1)。
15.一种单目内窥镜(24)或立体内窥镜(25)，其特征在于，所述单目内窥镜(24)包括如权利要求1至13中的一项所述的物镜(1)，并且所述立体内窥镜(25)包括如权利要求14所述的立体物镜(23)。
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