CN114460736B - 倒像系统、内窥镜及其应用 - Google Patents

Abstract

为了在简化刚性内窥镜(2)的制造的同时改善成像而提出，将倒像系统(1)用作中继光学系统，以用于将图像从物镜(3)传输到内窥镜(2)的在近端设置的摄像单元(4)，该倒像系统具有奇数个第一类型A的棒状透镜(7)和偶数个第二类型B的棒状透镜(7)，所述棒状透镜关于倒像系统(1)的中心平面(9)分别设置在倒像系统(1)的半部上。本发明还涉及一种内窥镜和内窥镜的应用。

Description

倒像系统、内窥镜及其应用

技术领域

本发明涉及一种倒像系统，该倒像系统应用于内窥镜中，该内窥镜具有物镜和摄像单元，其中，倒像系统设计为用于将光从物镜传输到摄像单元，并且倒像系统具有多个倒像组，所述倒像组分别由两个棒状透镜构成。所述倒像组在此分别实现大约1:1的成像。

本发明此外涉及一种内窥镜，该内窥镜基于此类倒像系统，并且此外具有物镜和摄像单元。在该内窥镜中，倒像系统正好设置在物镜与摄像单元之间。

最后，本发明涉及倒像系统在内窥镜中的一种特定的应用。

背景技术

如开始时描述的倒像系统特别是在刚性内窥镜中是已知的，在刚性内窥镜中，将倒像系统用作典型地以棒状透镜系统形式的中继光学系统，以便将利用物镜在远端接收的图像沿内窥镜轴传输到在近端设置的图像传感器。在现有技术中，此类倒像系统的倒像组此外典型地由具有纯球面的棒状透镜形成。在此，通常两个同类的或两个不同类的棒状透镜组成一个倒像组，而棒状透镜能具有两个、三个或更多个部件。此类倒像系统的制造和装配、特别是光学调整可能是非常昂贵的。

用作中继光学系统的倒像系统因此能够增加图像处理系统的光学长度，正好是在内窥镜中或在无法近距离观察相关物体的应用中。中继光学系统也可用于将在图像处理系统的目镜后面的图像颠倒，从而正确地显示图像。

在已知的倒像系统中，此外通常尽可能地校正不同的成像差。特别是已知校正纵向色差(longitudinal chromatic aberration＝LCA)和横向色差(transversalchromatic aberration＝TCA)，亦即校正像素沿纵向或横向方向依赖于光波长的偏差。

发明内容

在此背景下，本发明基于以下任务，即，提供一种能低成本制造的倒像系统，该倒像系统能应用于内窥镜中，以便在宽波长范围上、例如从可见光范围到红外线范围，实现高质量的成像。

为了解决该任务，根据本发明在倒像系统中规定要求保护的特征。特别是因此根据本发明，为了解决该任务，在开始提及型式的倒像系统中提出，倒像系统仅具有第一类型A和第二类型B的棒状透镜，并且倒像系统的由两个相同类型的棒状透镜形成的相应的A-A或B-B倒像组产生第一纵向色差(LCA1)和第一横向色差(TCA1)，其中，倒像系统的由两个不同类型的棒状透镜形成的A-B倒像组产生第二纵向色差(LCA2)和第二横向色差(TCA2)。在此，第一纵向色差(LCA1)和第二纵向色差(LCA2)具有相同的符号，并且第一横向色差(TCA1)和第二横向色差(TCA2)具有不同的符号。

通过该方法可以实现，各个倒像组的横向色差部分地相互补偿，而各个倒像组的纵向色差相互叠加。倒像系统的总纵向色差(total LCA＝TLCA)接下来然而能相对容易地通过物镜的光学设计和摄像单元的光学部件的光学设计得以补偿。

根据本发明，横向色差因此连续地沿倒像系统的倒像级链得以补偿，从而沿倒像系统的总横向色差不过度增加。因为否则只能以很大的努力、即使用非常多的光学元件来补偿总横向色差。与纵向色差不同，横向色差会受到曲率半径比的影响、即与纵向色像差(LCA)无关。LCA可以理解为零阶误差，而横向色差TCA可以理解为高阶误差。简而言之，横向色差产生的方式为，不同程度地放大不同波长，这相应地取决于相应主光线的位置。因此，不同类型A和B的棒状透镜也可能产生不同符号的横向差。

换言之，因此本发明规定，特别是在限制成将简单的双合透镜用于倒像系统的棒状透镜时，忍受纵向色像差的连续增加。TLCA接下来能够一次通过物镜、一次通过摄像单元的光学部件尽量得到补偿。从另外一种角度来看，因此能将根据本发明的倒像系统用于补偿内窥镜的物镜的和摄像单元的摄像光学器件的色像差、特别是纵向色差。

在此优点在于，装配有根据本发明的倒像系统的内窥镜能在大的波长范围上进行颜色校正，该波长范围例如可以包括部分可见光范围和部分红外线范围。

根据本发明，该任务也可通过根据本发明的另外的有利的实施方式得以解决。

例如，倒像系统的相应地由两个相同类型(A或B)的棒状透镜形成的A-A或B-B倒像组的相应的纵向色差(LCA1)和相应的横向色差(TCA1)可具有相同的符号。

此外，倒像系统的由两个第二类型B的棒状透镜形成的B-B倒像组会产生第三纵向色差(LCA3)，该第三纵向色差在绝对值方面小于第二纵向色差(LCA2)和/或小于第一纵向色差(LCA1)。倒像系统的由两个第二类型B的棒状透镜形成的B-B倒像组此外会产生第三横向色差(TCA3)，该第三横向色差在绝对值方面小于第二横向色差(TCA2)和/或小于第一横向色差(TCA1)。

关于横向色差(TCA)，这意味着，例如A-A倒像级能产生正的TCA，而混合的A-B倒像级能产生负的TCA。然而倒像系统可以具有两个同类的A-A倒像级和仅一个混合的A-B倒像级。在这种情况下，B-B倒像级也可以设计为其产生负的TCA。由此可以实现，由两个同类的A-A倒像级产生的TCA至少部分地通过随后的使用第二类型B的棒状透镜的A-B和B-B倒像级得以补偿。因此，可以规定，混合的A-B倒像级的横向色差(TAC)和由两个类型B的棒状透镜形成的另外的B-B倒像级的横向色差具有相同的符号。在此特别是A-B倒像级的TCA可以小于A-A倒像级的TCA。

此类设计方案因此显著增加了补偿像差的可能性，但保留了倒像系统非常简单的构造。因为特别是倒像系统能构成为，使得倒像系统的所有棒状透镜相应地构成为双合透镜，所述双合透镜基于仅两个不同的部件，这确保实现倒像系统的非常低成本的制造。在此规定，倒像系统的棒状透镜都产生正的纵向色像差(LCA1、LCA2、LCA3)。因为接下来特别是倒像系统的总的纵向色像差(TLCA)可以是正的。

倒像系统此外可以具有奇数个第一类型A的棒状透镜。备选地或补充地，倒像系统此外可以具有偶数个第二类型B的棒状透镜。此类设计方案特别是可以导致，倒像系统包括奇数个棒状透镜、例如九个棒状透镜。在此，使用倒像系统的内窥镜当然还可以具有另外的棒状透镜、如在物镜中或在摄像单元中具有棒状透镜。

一种非常优选的设计方案规定，倒像系统总共具有由类型A的棒状透镜构成的两个同类的A-A倒像组、由两个类型B的棒状透镜构成的一个同类的B-B倒像组、由各一个类型A和类型B的棒状透镜构成的一个混合的A-B倒像组，以及另一个类型B的棒状透镜。在这种情况下，倒像系统因此具有九个棒状透镜和四个倒像级。此类倒像系统可以相应地提供总共五个中间图像平面和/或五个共轭的平面，利用所述平面能实现所需的中继光学系统。

此类倒像系统在近端端部上可以具有特别是一个单个的棒状透镜，该单个的棒状透镜设置为用于与内窥镜的摄像单元的成像透镜形成另外一个倒像组。在此类光学设计中，能关于倒像系统的中心平面、即在倒像组的数量方面、并且必要时也在倒像组的光学性能如LCA和TCA方面实现镜像对称。

为了解决开始时提及的任务，此外提出，将倒像系统应用于内窥镜中，该内窥镜具有物镜和摄像单元(如开始已描述)。此类内窥镜尤其可以设计为斜视内窥镜，并且优选地可以构成有容纳倒像系统的刚性轴。该内窥镜的物镜在此可以具有例如第三类型C的棒状透镜，该类型C与在倒像系统中应用的棒状透镜的类型A和B不同。因此还能达到光学像差的更好的补偿。

此外，特别是可以规定，内窥镜的摄像单元的摄像机、即由图像传感器和所属的成像透镜构成的整体，与倒像系统的最后的前述第二类型B的棒状透镜成对。在这种情况下，该最后的棒状透镜正好设置在近端并且正好不属于倒像系统的倒像组。这此外有如下优点，为在倒像系统的所述最后的棒状透镜B后面的瞳孔部位提供光路的足够的轴向长度，以便能实现光束的侧向偏转、如用于3D内窥镜。

此类内窥镜可以在宽的波长范围上进行色的校正。因此此类内窥镜也应用于荧光内窥镜检查。利用内窥镜因此可以观察荧光、特别是在815至860纳米之间的荧光，和/或在使用808纳米的激发光的情况下观察荧光。

附图说明

现在借助实施例更详细地描述本发明，然而本发明不限于所述实施例。本发明另外的构造可以由优选实施例的以下描述、结合一般性描述以及附图获得。

其中：

图1示出根据本发明的刚性内窥镜的大幅示意性的图；

图2示出图1中的内窥镜的物镜的光学部件的细节示意图；

图3示出图1中的内窥镜的摄像单元的光学部件的细节示意图，并且

图4示出一个序列的倒像组，所述倒像组形成图1中的内窥镜的在图1示出的倒像系统。

具体实施方式

图1示出总体上以2标识的刚性内窥镜2，该刚性内窥镜将根据本发明的倒像系统1用作中继光学系统。倒像系统1在此将由内窥镜2的物镜3在远端端部12上收集的光传输到在内窥镜2的近端端部13上的摄像单元4，该摄像单元构成为摄像头并且具有图像传感器8以及成像透镜16(参看图3)。倒像系统1与摄像单元4的成像透镜16一起，更准确地实现了从图1在远端端部12上示出的第一中间图像平面10a到在近端端部13上的图像传感器8的图像平面上的成像。借助倒像系统1，因此将在第一中间图像平面10a中由物镜3产生的图像(参见图2)传输到近端端部13上的图像传感器8。在该传输时出现多次图像颠倒。

倒像系统1构成为棒状透镜系统，并且具有多个相继设置的倒像组6，所述倒像组有时也称为倒像级，因为每个倒像组6实现从相应的远端中间图像平面10到近端中间图像平面10的大约1:1的成像，其中，在成像时出现相应的图像颠倒/倒置。如图4所示，因此将图像从倒像系统1的中间图像平面10a传输到下个平面10b、从那儿传输到图像平面10c、并且最后传输到最后的中间图像平面10e。类型B的最后的棒状透镜7(在图4最底部)与摄像单元4的在图3示出的光学部件P02、P03、L05、L06和L07一起，接下来将图像从平面10e传输到图像传感器8的图像平面。

物镜3的各个部件在图2中示意性地示出。第一透镜组17L01与镜面棱镜5P01一起实现内窥镜2的斜视角。第二透镜组17L02接下来与由两个透镜L03和L04形成的类型C的棒状透镜7一起，在之前已提及的第一中间图像平面10a中产生第一图像。在图2的右边缘上此外可看到倒像系统1的类型A的第一棒状透镜7。图像在第一中间图像平面10a中尽管仍示出巨大色差；然而只有通过与倒像系统1和在近端端部13上的摄像光学器件的相互作用，接下来才能在图像传感器8的图像平面中产生高色彩质量的图像。

物镜3的第一非球面透镜15(最左边)产生典型的非常大的负LCA(由于透镜的凹面形状)，而利用第二非球面透镜15L02主要控制球面像差(SA)。接下来，类型C的棒状透镜7的透镜对L03/L04确保实现图像扩大以及生成近似远心的成像。

利用透镜L01和L03，物镜3在此具有两个凹透镜，利用凹透镜能产生负的纵向色像差(LCA)。这正好可用于至少部分地补偿倒像系统1的正LCA。

在内窥镜2的近端端部13上，摄像单元4利用两个凹透镜L05和L06同样可以部分地补偿倒像系统1的正LCA(参见图3)。此外，光路借助两个镜面棱镜5交叠。相反地，透镜L05、L06、L07、L08和L09与倒像系统1的类型B的最后的棒状透镜7(在图3左边缘可看到)成对为倒像级6e(参见图1)。

各个倒像级6a、6b、6c和6d(如图1可见)在图4中以正确的顺序(从上向下)详细地示出。倒像系统1的四个倒像组6a、6b、6c、6d的每一组(图1从左到右)在此由正好两个棒状透镜7形成、即以组合A-A、A-A、A-B和B-B的形式。因此，倒像系统1具有由类型A的棒状透镜7构成的两个同类的A-A倒像组6、由两个类型B的棒状透镜7构成的一个同类的B-B倒像组6、由分别一个类型A和一个类型B的棒状透镜7构成的一个混合的A-B倒像组6。

此外，倒像系统1然而在近端端部13上还具有另外一个类型B的单独的棒状透镜7。如已阐述，该最后一个类型B的棒状透镜7与摄像单元4的成像透镜16构成另外一个倒像组6e。由此在倒像组6的数量方面关于图1示出的中心平面9产生镜像对称，该中心平面正好相应于共轭的平面11c。

如在图1和图4中可看到，在倒像系统1中仅使用两种不同类型A和B的棒状透镜7。所述类型A和B在此区别于在物镜3中使用的类型C的棒状透镜7。因此，倒像系统1总共具有九个棒状透镜7和四个倒像级6。

类型A的棒状透镜7和类型B的棒状透镜7相应地构成为双合透镜(参见图4)，并且由此产生相应的正的纵向色像差(LCA)。更准确地，棒状透镜7相应地由具有球面光学面的两个互补的玻璃部件14a、14b构成。

如图4所示，每个棒状透镜7由(长的)双凸透镜14b构成，(较短的)弯月形透镜14a放置或胶合在该双凸透镜上。这既适用于类型A的棒状透镜、又适用于类型B的棒状透镜7(参见图4)，其中，类型B的弯月形透镜14a稍长于类型A的弯月形透镜。相应地，类型B的棒状透镜7的双凸透镜14b构成为稍短于类型A的棒状透镜7的双凸透镜。这种方法极大地简化倒像系统1的生产，并且因此节省成本。

根据本发明的方案的出发点在此是如下构思，使倒像系统1的棒状透镜7构成为低成本的双合透镜，所述双合透镜典型地产生正的纵向色像差。因为类型A的棒状透镜7和类型B的棒状透镜7都使用凸透镜，所以两种类型A和B产生沿倒像系统1叠加的基本上正的纵向色差(LCA)。用于棒状透镜7的各个玻璃部件的光学设计和材料选择正好选择为，使得倒像系统1的同类的A-A和B-B倒像组6产生第一纵向色差(LCA1)和第一横向色差(TCA1)，并且混合的A-B倒像组6产生第二纵向色差(LCA2)和第二横向色差(TCA2)。在此，第一纵向色差(LCA1)和第二纵向色差(LCA2)具有相同的符号，并且第一横向色差(TCA1)和第二横向色差(TCA2)具有不同的符号。结果，各个倒像组6的横向色差由此至少部分地相互补偿，而各个倒像组的纵向色差相互叠加。

总之，为了在简化刚性内窥镜2制造的同时改善成像，提出将倒像系统1用作中继光学系统，以用于将图像从物镜3传输到内窥镜2在近端设置的摄像单元4，该倒像系统具有奇数个第一类型A的棒状透镜7和偶数个第二类型B的棒状透镜7，所述棒状透镜关于倒像系统1的中心平面9分别设置在倒像系统1的半部上(参见图1)。

附图标记列表

1倒像系统

2内窥镜

3物镜

4摄像单元

5反射棱镜

6倒像组/倒像级

7棒状透镜

8图像传感器

9中心平面(对称平面)

10 中间图像平面

11共轭的平面

12(内窥镜2或倒像系统1的)远端端部

13(内窥镜2或倒像系统1的)近端端部

14(棒状透镜7的)部件

15非球面透镜

16成像透镜

17透镜组

Claims (20)

1.倒像系统(1)，该倒像系统应用于内窥镜(2)中，该内窥镜具有物镜(3)和摄像单元(4)，

—倒像系统(1)设计为用于将光从物镜(3)传输到摄像单元(4)，并且

—倒像系统(1)具有多个倒像组(6)，所述倒像组分别由两个棒状透镜(7)构成，所述倒像组分别实现大约1:1的成像，

其特征在于，

—倒像系统(1)仅具有第一类型A和第二类型B的棒状透镜(7)，—倒像系统(1)不仅包括同类的A-A倒像组(6)而且包括第二同类的B-B倒像组(6)，所述A-A倒像组和B-B倒像组分别由两个相同类型的棒状透镜(7)形成，

—倒像系统(1)的由两个相同类型的棒状透镜(7)形成的相应的A-A或B-B倒像组(6)产生第一纵向色差(LCA1)和第一横向色差(TCA1)，并且

—倒像系统(1)的由两个不同类型的棒状透镜(7)形成的A-B倒像组(6)产生第二纵向色差(LCA2)和第二横向色差(TCA2)，并且

—第一纵向色差(LCA1)和第二纵向色差(LCA2)具有相同的符号，并且

—第一横向色差(TCA1)和第二横向色差(TCA2)具有不同的符号，

—从而各个倒像组(6)的横向色差部分地相互补偿，而各个倒像组的纵向色差相互叠加。

2.根据权利要求1所述的倒像系统(1)，其中，倒像系统(1)的相应地由两个相同类型的棒状透镜(7)形成的A-A或B-B倒像组(6)的相应的纵向色差(LCA1)和相应的横向色差(TCA1)具有相同的符号。

3.根据权利要求1所述的倒像系统(1)，其中，倒像系统(1)的由两个第二类型B的棒状透镜(7)形成的B-B倒像组(6)产生第三纵向色差(LCA3)，该第三纵向色差在绝对值方面小于第二纵向色差(LCA2)和/或第一纵向色差(LCA1)。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的倒像系统(1)，其中，倒像系统(1)的由两个第二类型B的棒状透镜(7)形成的B-B倒像组(6)产生第三横向色差(TCA3)，该第三横向色差在绝对值方面小于第二横向色差(TCA2)和/或小于第一横向色差(TCA1)。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的倒像系统(1)，其中，混合的A-B倒像组(6)的横向色差(TAC)和由两个类型B的棒状透镜形成的另外的B-B倒像组(6)的横向色差具有相同的符号。

6.根据权利要求5所述的倒像系统(1)，其中，A-B倒像组(6)的横向色差(TAC)小于A-A倒像组(6)的横向色差。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的倒像系统(1)，其中，倒像系统(1)的所有棒状透镜(7)相应地构成为双合透镜，该双合透镜基于仅两个不同部件(14a、14b)。

8.根据权利要求7所述的倒像系统(1)，其中，倒像系统(1)的棒状透镜(7)都产生正的纵向色像差(LCA1、LCA2、LCA3)。

9.根据权利要求8所述的倒像系统(1)，其中，倒像系统(1)的总的纵向色像差是正的。

10.根据权利要求1至3中任意一项所述的倒像系统(1)，其中，倒像系统(1)具有奇数个第一类型A的棒状透镜(7)。

11.根据权利要求1至3中任意一项所述的倒像系统(1)，其中，倒像系统(1)具有偶数个第二类型B的棒状透镜(7)。

12.根据权利要求1至3中任意一项所述的倒像系统(1)，其中，倒像系统(1)总共具有：

—由类型A的棒状透镜(7)构成的两个同类的A-A倒像组(6)，—由两个类型B的棒状透镜(7)构成的一个同类的B-B倒像组(6)，

—由各一个类型A和类型B的棒状透镜(7)构成的一个混合的A-B倒像组(6)，以及

—另一个类型B的棒状透镜(7)。

13.根据权利要求12所述的倒像系统(1)，其中，倒像系统(1)提供总共五个中间图像平面(10a、10b、10c、10d、10e)和/或五个共轭的平面(11a、11b、11c、11d、11e)。

14.根据权利要求1至3中任意一项所述的倒像系统(1)，其中，—倒像系统(1)在近端端部(13)上具有一个单个的棒状透镜(7)，该单个的棒状透镜设置为用于与摄像单元(4)的成像透镜(16)形成另外一个倒像组(6e)。

15.根据权利要求14所述的倒像系统(1)，其中，整体上关于倒像系统(1)的中心平面(9)得出在倒像组(6)数量方面的镜像对称。

16.内窥镜(2)，所述内窥镜具有物镜(3)、摄像单元(4)和设置在物镜和摄像单元之间的倒像系统(1)，其特征在于，

—倒像系统(1)根据权利要求1至15中任意一项构成。

17.根据权利要求16所述的内窥镜(2)，其中，所述内窥镜(2)的物镜(3)具有类型C的棒状透镜(7)，该类型C与在倒像系统(1)中应用的棒状透镜(7)的类型A和类型B不同。

18.根据权利要求16所述的内窥镜(2)，其中，所述内窥镜(2)是斜视内窥镜。

19.根据权利要求16至18中任意一项所述的内窥镜(2)的应用，其中，利用内窥镜(2)观察荧光。

20.根据权利要求19所述的应用，其中，

—利用内窥镜(2)观察在815至860纳米之间的荧光，和/或—利用内窥镜(2)在使用808纳米的激发光的情况下观察荧光。

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