CN117741946A - 具有优化的换向棱镜的可视化系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可视化系统，其具有两个彼此关于可视化系统的纵向轴线沿轴向间隔开的图像传感器，所述图像传感器以感测的方式检测由相配设的位于换向棱镜前面的成像光学器件产生的相应的成像光路，为了改进该可视化系统中的成像，提出：对棱镜的结构高度进行次优设计，以便由此在使用棱镜的波长选择性的第一镜面时能够减小成像误差。此外，替代地或补充地提出：借助成像光学器件形成两个光学通道，通过这两个光学通道，图像传感器能够——优选在不同的波长范围内——相应从不同视角检测利用可视化系统观察的物体的图像。

Description

具有优化的换向棱镜的可视化系统

技术领域

本发明涉及一种可视化系统，所述可视化系统可以尤其是设计为尖端芯片式(CIT)内窥镜，即尤其是设计为具有至少一个图像传感器的内窥镜，该图像传感器布置在内窥镜杆的远侧的端部区域中。可视化系统包括近侧的图像传感器、远侧的图像传感器和至少一个棱镜。在这里，棱镜将第一成像光路转向到近侧的图像传感器上以及将第二成像光路转向到远侧的图像传感器上。

背景技术

这种可视化系统以内窥镜的形式在先已知，其中，两个图像传感器布置在内窥镜的远侧的端部区域中。在这里，图像传感器通常用于探测不同波长范围(如白光和红外光)，其中，这些光谱成分被棱镜中的镜面分开，并且由此被转向到相应的图像传感器上。此外，还已知使用二向色镜来进行这种波长选择性的换向。

在这种方法中，通常在换向棱镜之前连接有成像光学器件，该成像光学器件限定一个特定的焦平面，该焦平面必须与图像传感器的有效传感器面相一致，因此能获得清晰的成像。因此，在这种方法中，延伸穿过棱镜的两个成像光路通常都设计为，使得所述成像光路提供所期望的光学的路径长度，更确切地说在考虑到纵向色差(所述纵向色差根据波长范围而影响相应的焦平面的位置)的情况下，从而使相应的焦平面处于相应的传感器上。

发明内容

从该在先已知的现有技术出发，本发明基于以下任务：提供一种可视化系统，该可视化系统在结构尺寸小、尤其是相对于棱镜的尺寸而言结构尺寸小的情况下在两个图像传感器之中的每个图像传感器上实现高的成像质量。

为了解决该任务，根据本发明在一种可视化系统中、尤其是在一种内窥镜中设置权利要求1的特征。尤其是，因此根据本发明为了解决该任务在开头提及的类型的可视化系统中提出，第二成像光路在通过远侧的射入面射入所述至少一个棱镜中之后在棱镜的波长选择性的第一镜面上借助第一反射发生换向并且从棱镜的构造在所述至少一个棱镜的底侧处的远侧的射出面从所述至少一个棱镜射出。此外规定，对于底侧的长度L1与射入面的高度H1之比适用：L1/H1>1.5。

这种可视化系统可例如在医学中使用或用于工业应用，例如在检查难以接近的中空空间时。在可视化系统构造为尖端芯片式(CIT)内窥镜(其中，即相应的图像传感器布置在内窥镜尖端中)的情况下，则两个图像传感器优选布置在内窥镜的远侧的端部区域中。

在此，棱镜的底侧的长度L1正好对应于在第一镜面与射入面之间的最小间距，该最小间距沿着底侧测量(该底侧优选可以平行于内窥镜的纵向轴线/第一成像光路的光学轴线延伸)。而棱镜的总长度L2可与在第一镜面与射入面之间的最大间距相对应(该最大间距沿着第一成像光路的所述光学轴线测量)。

在这里，高度H1优选可以垂直于底侧并且垂直于第一成像光路的光学轴线测量。此外，远侧的射出面甚至可以直接与远侧的射入面邻接和/或垂直于该远侧的射入面延伸。特别优选的是棱镜的如下设计，在所述设计中适用：L1/H1>2.0，或甚至L1/H1>2.2。

在设计棱镜时，要注意各种边界条件：尤其是，针对给定的安装空间，射入窗口的尺寸应尽可能大，以便实现对图像传感器的良好的照明或能使用大的且因此分辨率高的图像传感器。同时，棱镜在其结构高度方面应保持尽可能小，以便即使在狭窄的安装空间内也可以使用。最后，棱镜的体积总体上应保持得小，从而该棱镜能够成本适宜地制造。这尤其适用于棱镜横向于第一成像光路的光学轴线所形成的总高度H1+H2，其中，H2是在射入窗口的高度与棱镜的总高度之间的差。

不过，本发明现在已经认识到，有意义的可以是，与棱镜的在最小的总高度下产生的结构形状有偏差。因此可实现：从总体上最佳地确保以下三个边界条件：(1)棱镜的射入窗口的高度H1尽可能大；(2)棱镜的总高度H1+H2尽可能小；(3)第一镜面相对于第一成像光路的主射束的倾斜角尽可能小。

正如还更详细阐述的那样，对于借助远侧的图像传感器记录的图像的高质量而言有利的是，第一镜面相对于第一成像光路的光学轴线仅稍微倾斜。因为在这种情况下，尤其是第二成像光路的边缘射束相对陡地打到第一镜面上。这有利于使第二成像光路内的光学的路径长度差最小化，由所述光学的路径长度差可产生显著的像差，所述像差对成像产生负面影响，如还更详细地借助附图阐述的那样。

正是当使用带有相应的16:9图像格式的通常的图像传感器时，棱镜的这种设计可以提供优势，尤其是当可视化系统包括两个光学通道时，所述光学通道借助图像传感器来检测。

因此，棱镜的第一镜面可用作分束器，并且将通过射入窗口入射的光路划分成第一成像光路和第二成像光路。

例如，第一成像光路可以从近侧的射出面从所述至少一个棱镜射出，所述近侧的射出面与远侧的射入面相对置。在此有利的是，射出面至少提供和远侧的射入面一样的高度H1，由此第一成像光路的所有穿过射入面的光也能被引导到近侧的图像传感器。

尤其是，射入面可以是棱镜的面向两个成像光路的整个前面。但是，在此并不一定整个射入面必须被两个成像光路穿透，相反地可以仅射入面内的较小的(尤其是旋转对称的)射入窗口被成像光路穿透(而射入窗口本身可以具有矩形的几何结构)。不言而喻的是，因此第一成像光路也可以通过远侧的射入面射入到棱镜中，尤其是通过相同的射入窗口。

术语“远侧”和“近侧”可以相对于用户来理解，该用户使用可视化系统，以便沿特定的观察方向进行图像拍摄：当观察方向远离用户身体指向时，近侧的图像传感器靠近用户身体，而远侧的图像传感器远离用户身体，即后者位于内窥镜的尖端中。

所述至少一个棱镜可以优选(尤其是相应)设计为五棱镜(即带有五个拐角)。在两个平行的光学通道的构造的情况下，可视化系统也可以具有两个棱镜、尤其是分开布置或彼此分隔开的棱镜，所述棱镜分别如上所述构造。但是或者，一个共同的棱镜用于两个通道。

第一成像光路可以优选沿着内窥镜的纵向轴线取向并且在不发生任何偏转的情况下在透射下穿过棱镜。相应地，第一图像传感器的面法线可平行于该纵向轴线延伸。

由于第一镜面可以与近侧的射出面重合，因此第一成像光路的主射束可以与棱镜的近侧的射出面的面法线形成一个角度。根据本发明，该角度应相对小，因此主射束的(相对于面法线测量的)入射角保持得小，并且因此边缘射束也还相对较陡地入射到棱镜的第一镜面上。

相对地，远侧的射出面(第二成像光路通过该远侧的射出面离开棱镜)的面法线可以横向于、尤其是垂直于内窥镜的纵向轴线或第一成像光路的光学轴线取向。

因此，第二成像光路优选能被棱镜换向或反射两次。在此，第二成像光路可以首先在棱镜的内部的镜面上借助第一反射发生换向，优选这样换向，使得第二成像光路随后逆着第一成像光路的方向传播。

借助棱镜的第二镜面、尤其是外部的第二镜面，第二成像光路则可以借助第二反射再次换向，尤其是这样再次换向，使得在第二反射之后，第二成像光路的主射束横向于、优选垂直于内窥镜的纵向轴线延伸。在此优选的是，第二成像光路的主射束平行于棱镜的远侧的射出面的面法线从棱镜射出。第二镜面在此可以优选(沿着内窥镜的纵向轴线)布置在射入窗口的轴向投影之外。因为在这种情况下镜面不遮盖射入窗口。

这样的可视化系统可以例如设计为带有直视的内窥镜或设计为斜视内窥镜(例如，在使用光学换向单元的情况下，其例如呈还在实际的换向棱镜之前的另外的棱镜的形式)。然而，在两种情况下，相应的成像光路——如有可能在所述另外的棱镜中第一次换向之后——可以还在射入到根据本发明设计的换向棱镜中之前沿内窥镜的纵向轴线方向延伸。

相应的图像传感器的有效面可以(分别)——尤其是直接——布置在棱镜的相应的射出面上或者也可以与之间隔开(即在使用气隙或中间层、尤其是透明的粘接层的情况下)。

为了解决开头提及的任务并且尤其是为了扩大可视化系统的应用可能性或增加其功能，替代或补充于上文提到的特征，提出权利要求2的特征，权利要求2的特征可能具有独立的创造性品质。尤其是，因此在开头提及的可视化系统中提出，所述可视化系统具有左光学通道和右光学通道，以用于产生三维图像、尤其是用于立体视觉。这两个通道尤其可以在光学上相互分开，例如借助不透明的分隔层或光学屏障相互分开。此外提出，所述至少一个棱镜(相应)将所述光学通道之中的一个或两个光学通道不仅换向到近侧的图像传感器上而且换向到远侧的图像传感器上。因为由此可以尤其是实现：借助所述两个图像传感器之中的每个图像传感器都能够记录三维图像和/或立体图像。在此，图像尤其是可以在不同的波长范围内记录。例如，所述两个图像传感器之中的一个图像传感器、尤其是远侧的图像传感器可以设置用于荧光成像，而另一个图像传感器、尤其是近侧的图像传感器可以设置用于白光成像。因为在使用如上所述的第一镜面时，这些不同的波长范围可被棱镜分成上文阐述的两个成像光路。

这两个光学通道优选可以在光学上或在空间上相互分开地构造，尤其是这样构造，使得左光学通道的成像光路不与右光学通道的成像光路重叠。为此，可以使用尤其是分开的棒状透镜，这些棒状透镜并排地、尤其是彼此平行地布置，以便成形出左光学通道或右光学通道的相应的成像光路。

第二方法(根据权利要求2)的特征也能以有利的方式与第一方法(根据权利要求1)的上文阐述的特征相结合。

根据本发明，所述任务还可以通过根据从属权利要求的另外的有利的实施方案来解决，这些实施方案在下文中阐述并且分别可以与上文阐述的所有特征相结合：

例如，可视化系统可包括两个单独的远侧的透镜组件，所述远侧的透镜组件分别形成所提到的左光学通道或右光学通道。这些透镜组件或这两个光学通道也可以在光学上相互分开，例如借助不透明的分隔层或光学屏障。对此替代地，也可以设置一个共同的远侧的透镜组件，所述一个共同的远侧的透镜组件形成所述两个光学通道(左光学通道+右光学通道)。

此外可行的是，在可视化系统中，用于两个光学通道的共同的棱镜相应将第一成像光路转向到近侧的图像传感器上，并且将第二成像光路转向到远侧的图像传感器上(分别用于两个光学通道之中的每个光学通道)。不过同样一样好的也可以是，使用两个分开的棱镜，更准确地说分别用于两个光学通道之中的一个光学通道。在这种情况下，这两个棱镜之中的每个棱镜分别将第一成像光路转向到近侧的图像传感器上并且将第二成像光路转向到远侧的图像传感器上。因为也可以借助这些方法将两个不同的波长范围相互分开并且由此分别由两个图像传感器以感测的方式进行检测。

如上文已经阐述的，被证明为有利的是，第二成像光路的射束相对陡地打到波长选择性的第一镜面上，因此于是就可避免成像误差，并且因此可以在第二成像光路中或在远侧的图像传感器上获得在质量上高品质的图像。

一个特别优选的设计方案规定，第一镜面的面法线与第一成像光路的光学轴线围成一个角度α，对于该角度适用：α<20°。优选可以适用α<18°或甚至α<15°。

根据要由第一镜面反射的波长谱的带宽有多大，角度α甚至可以选择为小于13°，尤其是小于12°。在此，波长带宽越大，角度α就应该选择得越小，因为此时总归都已经无法避免一定的光学的路径长度差(由于光学元件的色散)。

由第一镜面相对于第一成像光路的光学轴线的这样小的倾斜度尽管产生棱镜横向于光学轴线的次优的结构高度H1+H2，该结构高度于是大于实际需要的结构高度。因为只有当射束不仅以α＝β＝22.5°的角度入射到第一镜面上而且入射到第二镜面上(其中，则也就达到了所期望的射束换向2α+2β＝90°)时，才达到棱镜的最小结构高度。然而，由此可以改进借助远侧的图像传感器进行的成像的质量，尤其是当入射到第一镜面上的射束的波长谱和/或角度谱并非不显著地宽时，因为在角度α过大的情况下，则存在光学像差(色差和散光)的危险。

对于α＝22.5°，棱镜的总结构高度H1+H2因此为最小，并且同时在底侧长度为L1＝H1时就已经可以确保：在第二镜面上反射的射束不再次打到第一镜面上。然而，底侧长度L1的根据本发明较长的设计在这里提供以下优点：角度α可以相应地选择得较小，由此使得对于入射到第一镜面上的光射束的给定的角度谱以及对于反射射束的相关波长谱来说确保小的光学路径长度差和因此高的成像质量变得容易得多。在此要考虑：入射到第一镜面上的角度谱只有在高的技术耗费(即使用大量光学元件)的情况下才能这样强地减少，使得即使更大的倾斜角α也是可接受的。因此，本发明在此提出了一种特定的设计方法，该设计方法带来高的图像质量、足够的照明和可接受的棱镜结构高度，并且在此在使用市场上可获得的二向色镜的情况下即使在可视化系统的非常大的视角(如视场大于65°)时也可以使用该设计方法。此外，所需的光学元件的数量保持得小，这对于安装空间、重量和成本是有利的。

因此尤其是可以规定，所述近侧的图像传感器以感测的方式检测第一波长范围，而所述远侧的图像传感器以感测的方式检测与第一波长范围不同的第二波长范围。在此，所述第一镜面可以透射第一波长范围并且反射第二波长范围。不言而喻的是，所述两个图像传感器——尤其是由于像素级的滤光器不同——在所述图像传感器的相应的光谱灵敏度方面也可以是不同的。

因此，第一镜面可以将第一波长范围进一步引导至近侧的图像传感器(这些波长穿过第一镜)并且将第二波长范围进一步引导至远侧的图像传感器(这些波长被所述镜反射)。

为此，第一镜面可以构造为二向色镜。在光学领域，二向色镜理解为一种干涉滤光器，其对于不同波长范围具有不同的透射度或反射度。二向色镜通常由一序列具有不同折射率的多个电介质层组成，这些电介质层被施加在玻璃基底(在这里棱镜的玻璃体)上。二向色面的设计和因此用于分离波长的二向色滤光器的光谱边缘锐度对第一镜面的功能至关重要。在这里两个因素是重要的：(i)必须引导通过棱镜的入射角的“带宽”。在这里，力求在主射束与外射束之间的尽可能小的差异，这引起成像光学器件的尽可能小的打开角度的目标设立。然而，所使用的光学元件的数量在此受到限制。(ii)二向色面相对于第一成像光路的主射束或相对于内窥镜的纵向轴线的倾斜角。该倾斜角应该是最小的，因为在二向色面的倾斜角较大的情况下，滤光器的每个层中的有效光学路径长度增大。最后一点是至关重要的，因为层的层厚度与所期望的波长偏移成正比。换句话说，滤光器的边缘锐度随着层越厚或入射射束的入射角越大而降低。然而，高的边缘锐度是需要的，以便使入射的光在光谱上更清晰地分开。如果边缘锐度不够，则光部分地丢失或引导到错误的成像光路中。由于二向色滤光器/镜是一个层系统，则每个单个的层的误差相加，这使问题提出更加严重。本发明为此提供一种有效的解决方案。

作为示例，在这里说到α＝11.5°的标称的倾斜角。在这种情况下，入射到棱镜的第一镜面上的成像光路的真实入射角度谱可处于8°与15°之间。由此可产生小于1.5％的相对的路径长度差。而如果倾斜角为α＝22.5°，这产生棱镜的最佳结构高度，则入射角可在19°与26°之间波动，这此时产生超过2.7％的相对的路径长度差(这为大致多80％的变化)。这表明倾斜角α的意义。

第一波长范围(该第一波长范围由近侧的图像传感器记录)可以与第二波长范围(该第二波长范围由远侧的图像传感器记录)不相交，即正好不表现出重叠。例如，当第一镜面的反射度形成短通过滤特性(针对短波长的低反射度或高透射度，针对长波长的高反射度或低透射度)或长通过滤特性或例如带通过滤特性或带阻过滤特性时，则这是这种情况。

例如，第一波长范围(由近侧的图像传感器检测)可这样选择，使得该第一波长范围用于或能用于白光成像和/或覆盖整个可见的波长范围。而第二波长范围(由远侧的图像传感器检测)可以处于可见的波长范围之外，或例如仅覆盖可见的波长范围的部分区域。这种做法尤其能用于荧光成像(例如借助远侧的图像传感器进行的荧光成像)，附加地——尤其是同时——能用于白光成像(例如借助近侧的图像传感器进行的白光成像)。当然，这些特性也可以关于相应的波长范围反过来构造(远侧的图像传感器检测近似白色的宽带光谱，近侧的图像传感器检测另外的较窄的光谱)。本发明此外提供以下优点：在两个光谱范围内的两个成像分别可以产生三维图像或立体图像。

例如，可视化系统的两个图像传感器之中的一个图像传感器可以设计为传统的RGB传感器，例如用于记录白光图像。尤其是在这种情况下，另一个图像传感器可以例如设计为单色图像传感器，尤其是用于以感测的方式检测在可见光谱以外的波长，例如在NIR波长范围中或UV波长范围中的波长。

如还更好地依据附图可看到的，第二成像光路可以在第一镜面上反射之后在棱镜的第二镜面上再次反射。该第二镜面可以尤其是设计为外部的镜面，例如通过在棱镜的玻璃体上进行金属化。由此，尤其是可实现：第二成像光路与第一成像光路相交。换句话说，所述两个成像光路的相应的主射束可以在棱镜内的交叉点处相交。由此可出现以下情况，在该情况下，由第二镜面反射的射束与这样的入射的射束相交，所述反射的射束借助第一镜面从该入射的射束分岔出。在棱镜的这种设计中也说到“向内分裂”，通过其可实现光学系统的紧凑设计，因为通过使用双反射，可以将第二成像光路的光学的路径长度相应地设计得长。

例如，第一镜面可以是内部的镜面，即例如当玻璃体与棱镜的第一镜面无气隙地相接时。在此，第二成像光路的第一反射也可以基于内部的全反射。

一般来说有利的是，所述近侧的图像传感器的面法线沿着可视化系统的(即尤其是上文提到的内窥镜的)纵向轴线取向，并且所述远侧的图像传感器的第二面法线横向于(即尤其是垂直于)所述纵向轴线。相应的面法线在此垂直于图像传感器的相应的有效面。正是远侧的图像传感器的面法线垂直于纵向轴线的取向产生横向于纵向轴线的特别紧凑的结构形式，因为图像传感器的“覆盖区(footprint)”通常比图像传感器的可用的有效面大非常多。

为了高的图像质量此外可规定的是，所述两个成像光路的主射束的从棱镜的射入面直至所述近侧的图像传感器的或所述远侧的图像传感器的相应的传感器面测量的相应的光学的路径长度构造成一样长的。这尤其适用于如下情况，即，可视化系统的提供所述两个成像光路的成像光学器件针对第一波长范围和第二波长范围是经(光学)修正的(第一波长范围和第二波长范围由远侧或近侧的传感器以感测方式进行检测)。例如，光学的路径长度可通过选择用于棱镜和所提到的玻璃体的玻璃材料及其几何尺寸来进行调整。

在根据本发明的可视化系统的替代于此的实施方案中可以规定，所述两个成像光路的主射束的再次从棱镜的射入面直至所述近侧的图像传感器的或所述远侧的图像传感器的相应的传感器面测量的相应的光学的路径长度相差光学的路径长度差nΔL。例如当可视化系统的提供所述两个成像光路的成像光学器件针对第一波长范围和第二波长范围提供不同的平均的图像侧的后焦距(back focal length＝BFL)时，则提供这个。不言而喻的是，在此有利的是，所述光学的路径长度差nΔL对这些后焦距差进行光学补偿。因此，在这样的设计中，成像光学器件有意识地不对于第一和第二波长范围进行修正(在对于这些波长范围相应仅非常弱的显现的纵向色差的意义上)。

正是在利用可视化系统观察大视场(field of view＝FOV)的应用中，对于高的成像质量而言有利的是，可视化系统具有成像光学器件，该成像光学器件位于所述至少一个棱镜前面并且将第二成像光路相对于主射束的角度谱限界于+/-10°、优选+/-8°、特别优选+/-6°。在此，能利用可视化系统观察的视场角为至少60°、优选甚至为至少70°(例如广角内窥镜)。因此，尤其是可以将广角物镜使用在可视化系统中，该广角物镜位于所述成像光学器件前面并且将所述视场角在图像侧减小到成像射束的小于+/-20°的角度谱、优选减小到成像射束的小于+/-18°的角度谱。

通过限界第二成像光路的角度谱，可以限界第二成像光路的成像光路打到第一镜面上的入射角的带宽，从而始终可以确保针对用于(相对于远侧的图像传感器)成像的所有射束的足够高的反射率。因为对于过大的入射角，滤光器清晰度通常大大降低。在使用二向色镜时则这尤其适用，该二向色镜的反射率通常与入射光的入射角强相关。

上述成像光学器件尤其可以包括上文提到的多个远侧的透镜组件或所述一个远侧的透镜组件(所述多个远侧的透镜组件或所述一个远侧的透镜组件形成两个光学通道)或由上文提到的多个远侧的透镜组件或所述一个远侧的透镜组件构成。

除了负透镜(凹透镜)，广角物镜还可以包括非球面透镜。成像光学器件也可以包括非球面透镜。此外不言而言的是，位于相应的成像光路(从物体直至图像传感器)中的所有透镜都参与成像。

本发明现在依据实施例更详细地描述，但并不局限于这些实施例。本发明的其他构造方案可以从下面结合概述、权利要求书和附图对优选实施例的描述中获得。

在以下对本发明的不同的优选实施方式的描述中，即使设计或造型不同，但在其功能上相一致的元件都得到相一致的附图标记。

附图说明

附图中：

图1示出根据本发明的可视化系统的示意图；

图2示出根据本发明的可视化系统的远侧的端部区域的(逆着x轴的)俯视图；

图3示出从上方朝根据本发明的可视化系统的第二实施例的另一个俯视图，该可视化系统与图2的可视化系统的区别在于使用了一个共同的棱镜3；

图4示出根据本发明设计的另外的可视化系统的远侧的端部区域，其中，选择从侧面的观察方向(逆着y轴)；

图5示出根据本发明设计的换向棱镜，带有与该换向棱镜连接的玻璃体，其中，该棱镜例如可在根据图3的可视化系统中使用；

图6示出图5的棱镜的侧视图(逆着y轴)；

图7示出沿着z轴/光学轴线朝根据本发明的可视化系统的布置在近侧的图像传感器(例如图2/3/4的可视化系统的近侧的图像传感器)的俯视图；

图8示出与图5或图6的棱镜类似的根据本发明的棱镜，带有安置在该棱镜上的玻璃体19，其中，描绘了大量几何细节；

图9示出根据本发明的换向棱镜的示例，其中，倾斜角α选择为小于第二镜面的换向角β；

图10示出具有最优设计的总高度H1+H2的不根据本发明的换向棱镜的示例，其中，两个内部的换向角α、β选择为一样大；以及

图11为完整起见示出换向棱镜的另外的示例，其中，第一倾斜角α选择为大于第二换向角β，但这导致棱镜的不适合实际的形状。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的可视化系统1，该可视化系统呈尖端芯片式(Chip-in-Tip)内窥镜的形式，该可视化系统具有把手部件35，该把手部件带有固定在该把手部件上的内窥镜杆36，该内窥镜杆在其远侧的端部区域5中承载有根据本发明设计的光学组件，包括两个彼此分开布置的图像传感器2a和2b。借助内窥镜1，更准确地说借助所述两个图像传感器2a和2b，可以在不同光谱范围内记录所指向的物体37的图像。所记录的图像在此作为视频信号传输给相机控制单元33，该相机控制单元预处理(aufbereiten)这些信号并且将其输出给监视器34。

图2示出了内窥镜1的光学元件和两个图像传感器2a和2b可根据本发明如何布置在内窥镜1的远侧的端部区域5中的第一示例。可以看到内窥镜1的前部光学器件11，所述前部光学器件已经形成两个光学通道16a和16b并且与处于后面的相应的棒状透镜(左透镜组件17a和右透镜组件17b)一起形成了相应的第一成像光路4a。如依据两个点划线所示，这两个第一成像光路4a彼此平行地且沿着内窥镜1的纵向轴线27延伸，该内窥镜的纵向轴线与内窥镜杆36的纵向轴线重合。这两个第一成像光路4a通过远侧的射入面10射入相应的棱镜3a和3b中，其中，这两个棱镜3a和3b之中的每个棱镜将相应的第一成像光路4a转向到所示的且共同使用的近侧的图像传感器2a上。

根据图3的实施例与图2的实施例的区别基本上在于，这里替代两个分开的棱镜3a和3b而使用一个共同的棱镜3，该共同的棱镜在图5中示出。在此要说明的是，图2中的两个棱镜3a和3b也以和图5/图6的棱镜一样的方式设计，但是横向宽度更小。

如现在在下文中更详细阐述的，相应的棱镜3还使第二成像光路4b转向到远侧的第二图像传感器2b上，该远侧的第二图像传感器如在图2-4中可见的那样朝着远侧方向相对于近侧的图像传感器2a偏移。相应地，远侧的图像传感器2b实际上更靠近位于前面的成像光学器件31，所述成像光学器件在图2和图3中示出并且在那借助物镜系统43来形成，所述物镜系统包括多个光学透镜、尤其是凹透镜和凸透镜。为了补偿这个，第二成像光路4b在相应的棱镜3内折叠，更准确地说通过两次反射来换向，如例如在图4的侧视图中以及在图6中良好地看到的。

依据图5和图6能良好看到，该第二成像光路4b也通过远侧的射入面10射入相应的棱镜3中。但随后，该成像光路4b在棱镜3的第一镜面8上借助第一反射14发生换向，其中，该镜面8设计为波长选择性的。因此，镜面8透射第一成像光路4a，该第一成像光路仅包括第一波长范围内的波长。而第二成像光路4b则包括与第一波长范围不同的第二波长范围。第二成像光路4b由第一镜面8反射。在此涉及内部反射(如例如在图6中的成像光路4b的走向处看出的)，大致位于棱镜3的该第一(内/内部)镜面8的面法线28的部位处。

依据图6可良好地看出，因此结果是，在左侧入射到棱镜3中的光在两个射出面、即近侧的射出面12和远侧的射出面13处从棱镜3射出。例如，镜面8可以设计为，使得荧光从远侧的射出面13从棱镜3射出，而白光则从近侧的射出面12射出。

对于第二成像光路4b，为此由第一镜面8反射的射束30在第二镜面9上再次反射，第二镜面可以设计为外部的镜。因此，由所述第二镜面9反射的射束26横向于内窥镜1的纵向轴线27延伸并且(在棱镜3内)在交叉点7处与入射到第一镜面8上的第一成像光路4a的主射束6a相交。因此，近侧的射出面12与远侧的射入面10相对置并且因此布置在棱镜3的近侧的端部23处，而远侧的射出面13在棱镜3的底侧18上相对于近侧的射出面向远侧偏移(图6中的侧AB)。

如已经在概述中提到的以及在图10中所示出的，基本上有利的是，将通过棱镜3的侧BC形成的第一镜面8这样相对于纵向轴线27或相对于第一成像光路4a的主射束6a倾斜并且同时将通过棱镜3的侧ED形成的第二镜面9也相应地倾斜，使得对于图10中所示的两个换向角α和β适用的是：这些换向角正好一样大。因为对于期望的射束换向而言(2α+2β＝90°应适用于该射束换向)，α和β必须相应地为22.5°。对于这种情况，无论如何在考虑到如下边界条件、即在棱镜3的第二镜面9/侧ED上反射的所有射束都应完全且不受阻碍地从棱镜3的底侧18(即侧AB)射出的情况下，可以相对容易地表明，棱镜3的总高度H1+H2(参见图10)是最小的。

依据图10可良好地看出，棱镜的总结构高度H1+H2因此对于α＝22.5°是最小的，并且同时在底侧的长度为L1＝H1时可以确保：在第二镜面9上反射的射束不再次打到第一镜面8上。

如图11所示，尽管在第一倾斜角α(即第一换向角α)进一步增大的情况下，棱镜3的高度H2和因此总高度H1+H2可以减小，更确切地说对于远侧的射入窗口10(＝棱镜3的侧AE)的预设的高度H1而言。但是，在这种情况下，并非所有在棱镜3的上侧ED上反射的光射束(＝第二成像光路4b的第二反射15)都再通过底侧18射出；相反地，这些在第二镜面9上反射的光射束之中的一些光射束将(再次)打到棱镜3的第一镜面8(即侧BC)上，这正好视作为要避免的。

如在权利要求1中所限定的且在图6中依据在那的棱镜3所示出的本发明不同于图10中所示的棱镜的对于结构高度而言最佳的设计，更确切地说在以下意义上：有意识地容忍高度H2(参见图8)大于实际几何需要。这可以通过以下来实现：底侧18选择得比射入窗口10的高度H1稍长，从而对于该底侧18的长度L1(参见图8)与棱镜3的射入面10的高度H1之比适用L1/H1>1.5。由此自动产生第一镜面8的倾斜角α，该倾斜角小于所述的22.5°，这在图10中示出。

如正好依据图4良好看出的，远侧的图像传感器2b的面法线垂直于内窥镜1的纵向轴线27的取向产生了横向于该纵向轴线27的特别紧凑的结构形式，因为图像传感器2b的“覆盖区”通常比图像传感器2a/2b的可用的有效面40大非常多。这例如在图7中在朝布置在近侧的图像传感器2a的俯视图中良好地看出，其中，可以看到图像传感器2a的有效的图像传感器面40及其在由内窥镜杆36提供的安装空间内的外部尺寸。此外看到，已经由成像光学器件31形成的且由棱镜3进一步引导的两个光学通道16a和16b在图像传感器2a的矩形的图像传感器面40上仅照明相应的圆形的成像区域39a和39b。在这里可以良好地设想，借助根据本发明的这种方法可以记录三维图像或立体图像，即图7中所示的图像传感器2a设置用于检测三维图像。

此外，在图2和图3中依据那里的布置在远侧的图像传感器2b的那里的圆形的成像区域39以及依据图5中的相应的圆圈看出，因此立体图像可以在两个不同的波长范围内记录。因为远侧的图像传感器2b以感测的方式仅检测由棱镜3的第一镜面8反射或换向的波长，而布置在近侧的图像传感器2a以感测的方式仅检测由所述第一镜面8透射的波长。当跟随在图5中通过棱镜3和与此邻接的玻璃体19的两个成像光路4a和4b时，则良好地看出这个。

在图2-4的所有三个所示出的实施例中，至少一个棱镜3、即或是共同使用的棱镜3或是在图2的情况下相应相配设的分开的棱镜3a/3b相应将两个光学通道16a和16b之中的一个光学通道不仅转向到近侧的图像传感器2a上，而且转向到远侧的图像传感器2b上。换句话说，两个图像传感器2a和2b之中的每个图像传感器都不仅通过左光学通道16a而且通过右光学通道16b“看到”被观测的物体37，从而所述两个图像传感器之中的每个图像传感器都能提供三维图像。

这两个光学通道16a和16b在此可以通过共同使用的光学元件来实现或通过分开布置的光学元件、如图2和图3中所示的棒状透镜来实现。然而，棱镜3的功能在所有这些情况下都是相同的，即棱镜3借助波长选择性的第一镜面8分离出两个不同的波长范围，从而由所述两个图像传感器2a和2b可以分别以感测方式检测这两个波长范围。因此，棱镜3、更准确地说波长选择性的镜面8作为光学分束器起作用。

如上文已经详细描述的，倾斜角α正是在第一镜面8设计为二向色滤光器时是一个重要参数，该参数影响借助远侧的图像传感器2b还能实现的成像质量。为了在这里避免成像误差，有利的是，将倾斜角α选择得相对较小，例如小于20°或甚至小于15°。在此，对于最佳成像还允许的倾斜角α大小最后但并非不重要地取决于必须由波长选择性的镜面8换向的波长带宽有多大。

此外，为了避免像差，也重要的是，通过远侧的射入面10射入棱镜3中的成像射束只能以相对较小的入射角打到第一镜面8上。为此，如所述的那样有利的是，将倾斜角α选择得小，即第一镜面8相对于内窥镜1的纵向轴线27相对陡地取向。

但同时，对于高的成像质量有利的是，入射角度谱总归受到限制。为此，尤其是提出，如例如在图4的设计示例中看出的，位于棱镜3前面的成像光学器件31设计为，使得所述成像光学器件将第二成像光路4b相对于第一成像光路4a的主射束6a的角度谱限界于+/-10°或甚至还更低的值。如果可视化系统1例如设计为广角内窥镜1并且带有可观察至少60°或甚至至少70°的视场角的广角物镜32，则也达到这个效果。即使在使用倾斜视角的情况下(如在图4的示例中那样)，这种广角物镜32仍可以设计为，使得在图像侧成像射束的角度谱限界于至多+/-20°，这则表示入射到后续的成像光学器件31上的角度的带宽。

最后还要提到的是，两个成像光路4a和4b的主射束6a和6b的相应的路径长度(相应从棱镜3的射入面10直至相应的图像传感器2a/2b的相应的传感器面40测量)不一定必须几乎一样长地构造。例如，成像光学器件31可以在两个不同的波长范围内提供两个成像光路4a和4b，这两个成像光路具有显著的光学的路径长度差nΔL。例如，如果位于棱镜3前面的成像光学器件31正好没有以高的耗费对于这两个波长范围进行光学修正并且因此针对第一和第二波长范围产生不同的平均的图像侧的后焦距(back focal length＝BFL)，则这是这种情况。然而，即使在这种情况下，也可以通过适当的尺寸设计(例如后部的玻璃体19的尺寸设计)而不仅将远侧的图像传感器2b而且将近侧的图像传感器2a安放在相应的焦平面中(所述焦平面对于相应的光谱范围存在)，从而借助两个图像传感器2a/2b(即在两个波长范围内)相应能够记录清晰的图像。

总之，为了改善可视化系统1、尤其是尖端芯片式内窥镜1中的成像，该可视化系统具有两个彼此关于可视化系统1的纵向轴线27沿轴向间隔开的图像传感器2a和2b，所述图像传感器以感测的方式检测由相配设的位于换向棱镜3前面的成像光学器件31产生的相应的成像光路4a和4b，提出：对棱镜3的结构高度进行次优设计，以便由此在使用棱镜3的波长选择性的第一镜面8时能够减小成像误差。此外，替代地或补充地提出：借助成像光学器件31形成两个光学通道16a和16b，通过这两个光学通道，图像传感器2a和2b能够——优选在不同的波长范围内——相应从不同视角检测利用可视化系统1观察的物体37的图像。

附图标记列表

1可视化系统、尤其是内窥镜

2a(第一)布置在近侧的图像传感器

2b(第二)布置在远侧的图像传感器

3棱镜

4a第一成像光路(在2a中结束)

4b第二成像光路(在2b中结束)

5(1的)远侧的端部区域

6a(4a的)主射束

6b(4b的)主射束

7 (6a和6b的)交叉点

8 (3的)尤其是内部的第一镜面

9 (3的)尤其是外部的第二镜面

10(在3的远侧端部处的)远侧的射入面

11前部光学器件

12(3的、与10相对置的)近侧的射出面

13(3的)远侧的射出面

14(4b的)第一反射

15(4b的)第二反射

16a 左光学通道

16b 右光学通道

17a左透镜组件(用于形成16a)

17b右透镜组件(用于形成16b)

18(3的)底侧(在该底侧上形成13)

19玻璃体

20(19的)射入面

21(19的)射出面

22(3或4a的)光学轴线

23(3的)近侧端部

24(3的)远侧端部

25入射的射束(入射到8上)

26反射的射束(由9反射)

27(1的)纵向轴线

28(8的)面法线

29(9的)面法线

30反射的射束(由8反射)

31 成像光学器件

32 广角物镜

33 相机控制单元

34 监视器

35 把手部件

36 内窥镜杆

37 物体

38柔性PCB

39成像区域(在2a/2b上)

40图像传感器面(＝2a/2b的有效面)

41 另外的棱镜

42 覆盖玻璃

43 物镜系统

44 视频线缆。

Claims (12)

1.可视化系统(1)，所述可视化系统尤其是设计为尖端芯片式(CIT)内窥镜(1)，所述可视化系统包括：

-近侧的图像传感器(2a)和远侧的图像传感器(2b)；以及

-至少一个棱镜(3)，所述至少一个棱镜将第一成像光路(4a)转向到近侧的图像传感器(2a)上并且将第二成像光路(4b)转向到远侧的图像传感器(2b)上，其特征在于，

-第二成像光路(4b)在通过远侧的射入面(10)射入所述至少一个棱镜(3)中之后在棱镜(3)的波长选择性的第一镜面(8)上借助第一反射(14)发生换向并且从构造在所述至少一个棱镜(3)的底侧(18)处的远侧的射出面(13)从所述至少一个棱镜(3)射出，并且

-对于底侧(18)的长度L1与射入面(10)的高度H1之比适用：

L1/H1>1.5。

2.根据权利要求1的前序部分、优选根据权利要求1所述的可视化系统(1)，

-其中，所述可视化系统(1)具有左光学通道(16a)和右光学通道(16b)，以用于产生三维图像、尤其是用于立体视觉，其特征在于，

-所述至少一个棱镜(3)将所述光学通道(16a、16b)之中的一个或两个光学通道不仅换向到近侧的图像传感器(2a)上而且换向到远侧的图像传感器(2b)上，

-从而借助所述两个图像传感器(2a、2b)之中的每个图像传感器都能够——尤其是在不同的波长范围内——记录

-三维图像；和/或

-立体图像。

3.根据权利要求2所述的可视化系统(1)，

-其中，两个单独的远侧的透镜组件(17a、17b)分别形成左光学通道或右光学通道(16a、16b)，或者

-其中，一个共同的远侧的透镜组件(17)形成两个光学通道(16a、16b)。

4.根据权利要求2或3所述的可视化系统(1)，

-其中，一个共同的棱镜(3)对于两个光学通道(16a、16b)分别将第一成像光路(4a)转向到近侧的图像传感器(2a)上以及将第二成像光路(4b)转向到远侧的图像传感器(2b)上，或者

-其中，两个棱镜(3a、3b)对于这两个光学通道(16a、16b)之中的相应一个光学通道分别将第一成像光路(4a)转向到近侧的图像传感器(2a)上以及将第二成像光路(4b)转向到远侧的图像传感器(2b)上，

-尤其是以便由此将由所述两个图像传感器(2a、2b)分别以感测方式检测到的两个不同的波长范围相互分开。

5.根据前述权利要求中任一项所述的可视化系统(1)，其中，第一镜面(8)的面法线(28)与第一成像光路(4a)的光学轴线(22)围成一个角度α，对于该角度适用：α≤20°，优选α≤15°。

6.根据前述权利要求中任一项所述的可视化系统(1)，其中，所述近侧的图像传感器(2a)以感测的方式检测第一波长范围，而所述远侧的图像传感器(2b)以感测的方式检测与第一波长范围不同的第二波长范围，

-尤其是，所述第一镜面(8)透射第一波长范围并且反射第二波长范围，和/或

-所述两个图像传感器(2a、2b)——尤其是由于像素级的滤光器不同——在所述图像传感器的相应的光谱灵敏度方面不同。

7.根据前述权利要求中任一项所述的可视化系统(1)，其中，第二成像光路(4b)在第一镜面(8)上反射之后在棱镜(3)的——尤其是外部的——第二镜面(9)上再次反射，

-尤其是使得第二成像光路(4b)与第一成像光路(4a)相交，

-优选地，第一镜面(8)是内部的镜面，和/或，第二成像光路(4b)的第一反射基于内部的全反射。

8.根据前述权利要求中任一项所述的内窥镜(1)，其中，所述两个成像光路(4a、4b)的相应的主射束(6a、6b)在棱镜(3)内的交叉点(7)处相交，

-尤其是使得由棱镜(3)的第二镜面(9)反射的射束(26)与如下的入射的射束(25)相交，反射的射束(26)借助第一镜面(8)从所述入射的射束分岔出。

9.根据前述权利要求中任一项所述的可视化系统(1)，其中，所述近侧的图像传感器(2a)的面法线沿着可视化系统(1)的——尤其是内窥镜(1)的——纵向轴线(27)取向，并且所述远侧的图像传感器(2b)的第二面法线横向于——尤其是垂直于——所述纵向轴线(27)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的可视化系统(1)，其中，所述两个成像光路(4a、4b)的主射束(6a、6b)的从棱镜(3)的射入面(10)直至所述近侧的图像传感器(2a)的或所述远侧的图像传感器(2b)的相应的传感器面测量的相应的光学的路径长度构造成一样长的，

-优选地，可视化系统(1)的提供所述两个成像光路(4a、4b)的成像光学器件(31)针对第一波长范围和第二波长范围是经修正的。

11.根据前述权利要求中任一项所述的可视化系统(1)，其中，所述两个成像光路(4a、4b)的主射束(6a、6b)的从棱镜(3)的射入面(10)直至所述近侧的图像传感器(2a)的或所述远侧的图像传感器(2b)的相应的传感器面测量的相应的光学的路径长度相差光学的路径长度差nΔL，

-尤其是，可视化系统(1)的提供所述两个成像光路(4a、4b)的成像光学器件(31)针对第一波长范围和第二波长范围提供不同的平均的图像侧的后焦距(back focal length＝BFL)，优选地，所述光学的路径长度差nΔL对这些后焦距差异进行光学补偿。

12.根据前述权利要求中任一项所述的可视化系统(1)，其中，位于所述棱镜(3)前面的成像光学器件(31)将第二成像光路(4b)相对于主射束(6a)的角度谱限界于+/-10°、优选+/-8°、特别优选+/-6°，

-优选地，能利用可视化系统(1)观察的视场角为至少60°、优选为至少70°，

-尤其是，位于所述成像光学器件(31)前面的广角物镜(32)能够将所述视场角在图像侧减小到成像射束的小于+/-20°、优选小于+/-18°的角度谱。