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Die
Erfindung betrifft eine konfokale Optik, die in einem konfokalen
Abtastendoskop eingebaut ist und die Betrachtung von Tomogrammen
von in einer Körperkavität vorhandenem
Gewebe ermöglicht.
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Konfokale
Sonden, die mit einer konfokalen Mikroskopoptik, die Bilder mit
höherer
Vergrößerung und Auflösung als
herkömmliche
Endoskopoptiken erzeugen können,
arbeiten, sowie mit einer solchen konfokalen Sonde arbeitende konfokale
Abtastendoskope sind bekannt. Eine solche konfokale Optik führt ein
Laserstrahlenbündel
als Beleuchtungslicht auf das das Objekt bildende Gewebe in einer
Körperkavität und empfängt wahlweise
reflektiertes Licht oder aus dem Gewebe stammende Fluoreszenzstrahlung,
wobei sich das Gewebe in der objektseitigen Brennebene der Objektivoptik
der Sonde befindet. Die konfokale Sonde extrahiert mit anderen Worten
aus dem reflektierten Licht bzw. aus der aus dem Gewebe stammenden
Fluoreszenzstrahlung das Licht, das aus der Brennebene kommt. Die
Sonden werden üblicherweise
klassifiziert in Direktsichtsonden, die das Beleuchtungslicht aus
der Sondenspitze auf das Gewebe ausgeben, und in Seiten sichtsonden, die
das Beleuchtungslicht aus einer Seitenfläche der Sonde ausgeben. Der
erforderliche Strahlengang variiert abhängig davon, ob die Sonde eine
Direktsichtsonde oder eine Seitensichtsonde ist. Die für die jeweilige
Sonde vorgesehene Optik muss deshalb abhängig vom Sondentyp geeignet
gestaltet werden.
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Für eine konfokale
Sonde verwendbare Optiken sind beispielsweise in der Japanischen
Patentveröffentlichung
2000-292703 (im Folgenden als Druckschrift #1 bezeichnet) und in
der Japanischen Patentveröffentlichung
200-258699 (im Folgenden als Druckschrift #2 bezeichnet) offenbart.
Druckschrift #1 beschreibt eine Optik, die für eine konfokale Seitensichtsonde
verwendbar ist.
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Die
Optik nach Druckschrift #1 nimmt beispielsweise unter Einsatz reflektierender
Spiegelflächen
eine Abtastung oder dynamische Umlenkung mit einem Strahlenbündel auf
lebendem Gewebe vor, das die Objektfläche bildet. Deshalb wird der
Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Objektiv (Kondensoroptik)
so lang eingestellt, dass ausreichend Raum für die Anordnung der reflektierenden
Fläche
vorhanden ist. Dadurch wird der Durchmesser der Objektivs notwendigerweise
groß,
und es wird schwierig, einen ausreichend weiten Abtastbereich zur
Verfügung
zu stellen. Außerdem
muss der Raum, in dem die reflektierende Fläche angeordnet ist, zudem einen
Raum beinhalten, um die reflektierende Fläche in einer vorgeschriebenen
Richtung anzutreiben.
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In
der Druckschrift #1 sind die Blende und die erste Fläche der
Kondensoroptik mit reflektierenden Flächen versehen. Dabei ist während der
mit dem Strahlenbündel
vorgenommenen Abtastung eine erforderliche optische Weglänge dadurch
sichergestellt, dass das Strahlenbündel zwischen der Blende und
der ersten Fläche
hin und her läuft.
Bei jeder Strahlreflexion tritt ein Verlust an Lichtmenge auf, so
dass das Strahlenbündel nicht
effizient genutzt werden kann. Ferner hat die Optik nach Druckschrift
#1 keinen Mechanismus zum Ändern
der Konzentrationsposition (Brennposition) des Strahlenbündels in
Tiefenrichtung des Objektes, d.h. in Richtung der optischen Achse
des Objektivs. Es ist deshalb nicht möglich, die Position der Objektfläche präzise zu
erfassen und Objektbilder mit hoher Definition zu erhalten.
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In
den vergangenen Jahren hat man mit der Entwicklung eines konfokalen
Abtastendoskops, das die Funktionen eines herkömmlichen Endoskops und einer
konfokalen Sonde vereint, die Hoffnung verbunden, dem Benutzer die
Sondenhandhabung zu erleichtern. Dieses Endoskop wird im Folgenden
als "integriertes Endoskop" bezeichnet. Ein
solches integriertes Endoskop muss unabhängig voneinander eine erste
Optik für die
allgemeine Endoskopbetrachtung (im Folgenden als "normale Betrachtung") sowie eine zweite
Optik für die
sogenannte "konfokale
Betrachtung" enthalten.
Die größte Herausforderung
besteht demnach darin, durch Miniaturisierung der beiden Optiken,
insbesondere der für
die konfokale Betrachtung vorgesehenen Optik, den Durchmesser des
flexiblen Rohrs (Endoskop) zu verringern. Jedoch führt die
Anwendung der Lehre nach Druckschrift #1 oder #2 auf eine konfokale
Beobachtungsoptik zu einer Vergrößerung des
Durchmessers und der Länge
des flexiblen Rohrs. Um einen möglichst
weiten Abtastbereich des Strahlenbündels bei gleichzeitiger Miniaturisierung
des flexiblen Rohrs zu realisieren, kann die konfokale Betrachtungsoptik
als Optik ausgebildet sein, die eine Abtastung mit einem Strahlpunkt
auf der Objektfläche
vornimmt, indem die Punktlichtquelle schwingt (z.B.
US 5 161 053 ).
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Jedoch
gibt es noch keine konkreten Erwägungen
oder Vorschläge
hinsichtlich einer Kondensoroptik, die in einem Fall verwendbar
ist, in dem eine schwingende Punktlichtquelle für die Optik zur konfokalen
Betrachtung verwendet wird, genauer gesagt hinsichtlich einer für eine konfokale
Betrachtungsoptik vorgesehenen Kondensoroptik, die in der Lage ist,
einen Verlust an Lichtmenge in ausreichendem Maße zu vermeiden und verschiedenartige
Aberrationen zu unterdrücken.
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Primäre Aufgabe
der Erfindung ist es demnach, eine geeignete Kondensoroptik für ein konfokales System
anzugeben, das den oben beschriebenen Aufbau hat, um die Objektfläche durch
Schwingen der Punktlichtquelle mit einem Strahlpunkt abzutasten.
Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, eine Kondensoroptik anzugeben,
die in ausreichendem Maße
die verschiedenen Aberrationen unterdrückt und einen Verlust an Lichtmenge
vermeidet.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein konfokales System
einschließlich
einer Optik, die für
eine Abtastung der Objektfläche
mit einem Strahlpunkt bei schwingender Punktlichtquelle geeignet
ist, anzugeben, die einen weiten Abtastbereich bereitstellt und
dabei kleine Abmessungen hat.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Die
Punktlichtquelle wird typischerweise auf einer Fläche bewegt,
die im Wesentlichen parallel zur Endfläche des flexiblen Endoskoprohrs
liegt, d.h. auf einer Fläche,
die im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse der Kondensoroptik
ist.
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Nach
Anspruch 6 enthält
die erste Untergruppe der dritten Gruppe vorzugsweise zwei einzelne
Linsen mit positiver Brechkraft. Nach Anspruch 7 enthält die dritte
Untergruppe der dritten Gruppe vorzugsweise ein bikonvexe Linse
und eine positive Meniskuslinse. Durch eine solche Verteilung der
positiven Brechkraft auf zwei oder mehrere Linsen in jeder Untergruppe
können
selbst dann, wenn eine sphärische
Linse für
die jeweilige Gruppe verwendet wird, sphärische Aberration und Koma
gut unterdrückt
werden.
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Nach
Anspruch 8 enthält
die zweite Gruppe eine einzelne Linse oder eine Kittlinse. Die einzelne
Linse oder die Kittlinse kann so ausgebildet sein, dass sie eine
konkave Fläche
hat, die der Bildfeldebnung dient.
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Der
Aufbau nach Anspruch 9 ermöglicht
es, das von der Punktlichtquelle abgegebene Strahlenbündel aus
einer Seitenfläche
des flexiblen Rohrs auszusenden.
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Um
die Linsenzahl zu verringern und die Kondensoroptik zu vereinfachen,
kann die erste Untergruppe der ersten Gruppe nach Anspruch 12 durch
eine einzelne Linse gebildet sein.
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In
einer Optik, deren Strahlengang in der Mitte der Optik umgelenkt
wird, sind die Anforderungen an die Montagegenauigkeit für die vor
und hinter der Umlenkgruppe liegenden Gruppen besonderes hoch und
nur schwer einzuhalten. Um den Einfluss von Montagefehlern zu verringern
und die durch Dezentrierung verursachten Aberrationen zu unterdrücken, sollte
nach Anspruch 15 nicht nur das Strahlenbündel, das auf die zweite Gruppe
fällt,
sondern auch das aus der ersten Gruppe austretende Strahlenbündel ein
im Wesentlichen paralleles Bündel
sein. Vorzugsweise ist deshalb die in Anspruch 16 angegebene Bedingung
(5a) erfüllt.
In einer Optik, welche die Bedingung (5a) erfüllt, sollte die Umlenkgruppe
nach Anspruch 17 nur aus optischen Elementen bestehen, die aus ebenen
Flächen
gebildet sind. Dadurch ist gewährleistet,
dass das aus der ersten Gruppe austretende parallele Strahlenbündel auch
als paralleles Bündel
in die zweite Gruppe gelangt.
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Vorzugsweise
ist die Umlenkgruppe durch ein oder mehrere Prismen gebildet, so
dass die Luftlänge kürzer als
die einer Umlenkgruppe ist, die aus Spiegeln besteht. Die Umlenkung
des Strahlenbündels
kann in der Weise realisiert werden, dass mindestens eine optisch
wirksame Fläche
des Prismas das einfallende Strahlenbündel total reflektiert. Dadurch
kann der Verlust an Lichtmenge während
der Umlenkung minimiert werden.
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Die
Bedingung (6a) nach Anspruch 18 sorgt dafür, dass die Umlenkgruppe die
Totalreflexionsbedingung erfüllt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 eine vergrößerte Schnittansicht,
welche die Spitze eines integrierten Endoskops zeigt, das mit einem
konfokalen System nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ausgestattet
ist,
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2 eine vergrößerte schematische
Darstellung, die den Aufbau der konfokalen Optik rund um deren Kondensoroptik
zeigt,
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3 eine schematische Darstellung,
welche die Linsenanordnung einer Kondensoroptik in einem ersten
Beispiel der ersten Ausführungsform
zeigt,
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4 eine schematische Darstellung,
welche die Linsenanordnung einer Kondensoroptik als zweites Beispiel
der ersten Ausführungsform
zeigt,
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5 eine schematische Darstellung,
welche die Linsenanordnung einer Kondensoroptik als drittes Beispiel
der ersten Ausführungsform
zeigt,
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6 eine schematische Darstellung,
welche die Linsenanordnung einer Kondensoroptik als viertes Beispiel
der ersten Ausführungsform
zeigt,
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7A bis 7D Graphen, die Aberrationen zeigen,
die in der Kondensoroptik in dem ersten Beispiel der ersten Ausführungsform
auftreten,
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8A bis 8D Graphen, die Aberrationen zeigen,
die in der Kondensoroptik des zweiten Beispiels der ersten Ausführungsform
auftreten,
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9A bis 9D Graphen, die Aberrationen zeigen,
die in der Kondensoroptik des dritten Beispiels der ersten Ausführungsform
auftreten,
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10A bis 10D Graphen, die Aberrationen zeigen,
die in der Kondensoroptik des vierten Beispiels der ersten Ausführungsform
auftreten,
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11 eine vergrößerte schematische
Darstellung, die den Aufbau eines konfokalen Systems in einer zweiten
Ausführungsform
der Erfindung um deren Kondensoroptik herum zeigt,
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12 eine schematische Darstellung,
welche die Linsenanordnung einer Kondensoroptik als erstes Beispiel
der zweiten Ausführungsform
zeigt,
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13 eine schematische Darstellung,
welche die Linsenanordnung einer Kondensoroptik als zweites Beispiel
der zweiten Ausführungsform
zeigt,
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14 eine schematische Darstellung,
welche die Linsenanordnung einer Kondensoroptik als dritte Beispiel
der zweiten Ausführungsform
zeigt,
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15A bis 15D Graphen, die Aberrationen zeigen,
die in der Kondensoroptik des ersten Beispiels der zweiten Ausführungsform
auftreten,
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16A bis 16D Graphen, die Aberrationen zeigen,
die in der Kondensoroptik des zweiten Beispiels der zweiten Ausführungsform
auftreten, und
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17A bis 17D Graphen, die Aberrationen zeigen,
die in der Kondensoroptik des dritten Beispiels der zweiten Ausführungsform
auftreten.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die vorstehend genannten Figuren
beschrieben.
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Ausführungsform 1
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1 ist eine vergrößerte Schnittansicht,
welche die Spitze eines integrierten Endoskops 300 zeigt, das
mit einem konfokalen optischen System (im folgenden auch als konfokale
Optik bezeichnet) nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ausgestattet
ist. Wie in 1 gezeigt,
enthält
die Spitze des Endoskops 300 eine konfokale Optik 100,
die zur Betrachtung von lebendem Gewebe 400 innerhalb einer
Körperkavität eines
lebenden Organismus mit hoher Vergrößerung (konfokale Betrachtung)
verwendet wird, und eine Optik 200, die zur allgemeinen
Betrachtung des Gewebes 400 verwendet wird und im Folgenden
auch als Normalbetrachtungsoptik bezeichnet wird. Das integrierte
Endoskop 300 ist elektrisch und optisch an einen nicht
gezeigten Prozessor gekoppelt, der unter anderem eine Lichtabgabeeinheit
zum Aussenden von Beleuchtungslicht auf das Gewebe 400 und
eine Bildverarbeitungseinheit zur geeigneten Verarbeitung von Bildern
des Gewebes 400 enthält,
die von den einzelnen Optiken aufgenommen werden.
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Obgleich
in 1 nicht gezeigt,
enthält
die Normalbetrachtungsoptik 200 unter anderem eine Optik zum
Beleuchten des Gewebes 400 mit einem von dem Prozessor
zugeführten
Strahlenbündel
und eine Bildaufnahmevorrichtung zur Aufnahme von Bildern des Gewebes 400,
die von der vorstehend genannten Optik beleuchtet werden.
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Die
konfokale Optik 100 enthält eine Kondensoroptik 10,
einen Einmoden-Lichtleiter 20,
piezoelektrische Elemente 30A und 30B, eine Formgedächtnislegierung 40 und
ein Deckglas 80. Die Kondensoroptik 10 und der
Lichtleiter 20 und die piezoelektrischen Elemente 30A und 30B sind
in einer zylindrischen Fassung 50 gehalten. Die Fassung 50 ist
verschiebbar in einem zylindrischen Metallrohr 60 gehalten,
dessen Durchmesser geringfügig
größer als
der der Fassung 50 ist.
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In
den auf diese Ausführungsform
bezogenen Figuren einschließlich
der 1 wird die Richtung
der optischen Achse der Kondensoroptik 10 als Z-Richtung
bezeichnet, während
die beiden zu dieser Z-Richtung senkrechten Richtungen als X-Richtung
bzw. Y-Richtung bezeichnet werden. Die X-Richtung und die Y-Richtung legen eine
Ebene fest (X-Y-Ebene), die senkrecht zur Z-Richtung ist.
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Der
Lichtleiter 20 verläuft
zwischen der Lichtabgabeeinheit des Prozessors und der Kondensoroptik 10.
Die piezoelektrischen Elemente 30A und 30B sind
in der Nähe
eines Austrittsendes 21 des Lichtleiters 20 so
angeordnet, dass ihre Verschieberichtungen in der X-Y-Ebene senkrecht
zueinander sind (X-Richtung, Y-Richtung).
Durch geeignete Spannungen, die an die piezoelektrischen Elemente 30A und 30B angelegt
werden, wird so der Teil des Lichtleiters 20 nahe dessen
Austrittsende 21 durch die Wirkung der piezoelektrischen Elemente 30A und 30B in
X-Richtung und Y-Richtung gedrückt
und entsprechend bewegt, so dass das aus dem Austrittsende 21 abgegebene
Strahlenbündel
die Fläche
des Gewebes 400 zweidimensional abtastet.
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Man
lässt also
in oben beschriebener Weise die Abtasteinheit das Austrittsende
des Lichtleiters als Punktlichtquelle bewegen, indem man einen Teil
des Lichtlei ters in der Nähe
dieses Austrittsendes biegt. Man erreicht so eine vergleichsweise
einfache Lösung
der eingangs genannten Aufgabe, nämlich einen weiten Abtastbereich
bereitzustellen und zugleich für
einen kleinen Durchmesser des flexiblen Rohrs zu sorgen, so dass eine
Anwendung auf ein integriertes Endoskop möglich ist.
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Dabei
beschreibt die Ortskurve des Austrittsendes des Lichtleiters (bei
Biegen des vorstehend genannten Teils in der Nähe des Austrittsendes) im strengen
Sinne keine ebene, sondern eine gekrümmte Fläche. Indem man jedoch den Abstand
zwischen dem Biegezentrum und dem Austrittsende des Lichtleiters
im Verhältnis
zur Abtastweite des Lichtleiters ausreichend lang einstellt, kann
diese gekrümmte
Fläche
als im Wesentlichen ebene Fläche
aufgefasst werden. Dies bedeutet, dass die gekrümmte Fläche in der Praxis mit einer Ebene
gleichgesetzt werden kann, die im Wesentlichen senkrecht zur optischen
Achse der Kondensoroptik liegt.
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Wird
ein Teil des Lichtleiters in der Nähe des Austrittsendes in oben
beschriebener Weise gebogen, so kippt die Austrittsendfläche des
Lichtleiters in Abhängigkeit
der Stärke
dieser Biegung, so dass der Winkel zwischen dem Hauptstrahl des
von der Austrittsendfläche
ausgegebenen Strahlenbündels
und der optischen Achse der Kondensoroptik zunimmt. Vorzugsweise
ist die Kondensoroptik so angeordnet, dass sich ihre Eintrittspupille
an einem bestimmten Punkt P befindet, in dem die optische Achse
der Kondensoroptik die Verlängerung
des Hauptstrahls des aus der Austrittsendfläche abgegebenen Strahlenbündels schneidet.
Dieser besondere Schnittpunkt P kann in einfacher Weise über den
Hauptstrahl des aus der Austrittsendfläche abgegebenen Strahlenbündels ermittelt
werden, wenn die Position (X, Y) der Endfläche in der X-Y-Ebene (vergl. 1 und 2) am weitesten von der optischen Achse
entfernt liegt. Durch eine solche Positionierung kann das von dem
Lichtleiter ausgesendete Strahlenbündel ohne Vignettierung oder
dergleichen in die Kondensoroptik eingebracht werden, so dass bis
in den Randbereich des Bild- oder Sichtfeldes eine ausreichende
Lichtmenge sichergestellt ist.
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Zwischen
einer Außenwand 51 der
Fassung 50 und einer Innenwand 61 des Metallrohrs 60 sind
eine Formgedächtnislegierung 40 und
eine Schraubendruckfeder 70 angebracht. Die Außenwand 51 und
die Innenwand 61 liegen im Wesentlich senkrecht zur Z-Richtung,
d.h. in einer X-Y-Ebene. Die Formgedächtnislegierung 40 ist
eine Legierung, die eine Formgedächtnisfunktion
hat. Die Formgedächtnislegierung 40 verformt sich,
wenn bei Raumtemperatur eine äußere Kraft
auf sie wirkt, während
sie sich in ihre ursprüngliche
Form (eingeprägte
Form) zurückverwandelt
oder zusammenzieht, wenn sie über
eine bestimmte Temperatur erwärmt
wird. Dabei ist die Formgedächtnislegierung 40 so
angeordnet, dass sie sich bei Erwärmung in Z-Richtung zusammenzieht.
Die Schraubendruckfeder 70 ist im komprimierten Zustand,
d.h. in einem Zustand, in dem ihre Länge kürzer als ihre natürliche Länge ist,
zwischen der Außenwand 51 und
der Innenwand 61 montiert. Die Schraubendruckfeder 70 drückt die
Fassung 50 stetig in Richtung des Deckglases 80,
d.h. zur Vorderseite des Endoskops hin.
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Wird
an die Formgedächtnislegierung 40 Spannung
angelegt, so erwärmt
sich diese und zieht sich in Z-Richtung zusammen. Die Zugkraft der
Formgedächtnislegierung 40 ist
dabei so bemessen, dass sie stärker ist
als die Druckkraft der Schraubendruckfeder 70, d.h. der
von der Schraubendruckfeder 70 auf die Formgedächtnislegierung 40 ausgeübte Druck.
Die Fassung 50 gleitet so in die von dem Deckglas 80 weg
weisende Richtung, d.h. zur hinteren Seite des Endoskops. Dadurch
verschiebt sich die Kondensor- oder Konzentrationsposition (Brennpunkt)
des Strahlenbündels,
das von dem Austrittsende 21 des Lichtleiters 20 ausgegeben wird
und durch die Kondensoroptik 10 tritt, geringfügig in Z-Richtung.
Auf diese Weise kann eine Abtastung in Z-Richtung vorgenommen werden.
Durch die Funktionen der piezoelektrischen Elemente 30A und 30B,
der Formgedächtnislegierung 40 und
der Schraubendruckfeder 70 ist die konfokale Optik 100 im
Stande, dreidimensionale Bilder (in X-, Y- und Z-Richtung) des Gewebes 400 zu
erzeugen.
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2 ist eine vergrößerte schematische
Darstellung, die den Aufbau der konfokalen Optik 100 in
der Umgebung der Kondensoroptik 10 zeigt. Der Lichtleiter 20 führt das
Strahlenbündel
aus der Lichtabgabeeinheit des Prozessors zu der konfokalen Optik 100 und
sendet es aus seinem Austrittsende 21 aus. Das Austrittsende 21 des
Lichtleiters 20 fungiert als sekundäre Punktlichtquelle. Wie oben
beschrieben, wird das Austrittsende 21 durch die piezoelektrischen
Elemente 30A und 30B in einer X-Y-Ebene bewegt.
Im strengen Sinne bildet die Ortskurve des Austrittsendes 21 eine
gekrümmte
Fläche
(gestrichelter Pfeil) um einen Schnittpunkt (Krümmungszentrum) P, in dem die
optische Achse (Strichpunktlinie) die Verlängerung (fett dargestellte gestrichelte
Linie) das Hauptstrahls des von dem Austrittsende ausgesendeten
Strahlenbündels,
wie in 2 gezeigt ist.
Diese gekrümmte
Fläche
kann jedoch als im Wesentlichen identisch mit der vorstehend genannten X-Y-Ebene
angesehen werden, da der Hub des Austrittsendes 21 sehr
klein ist. Wie in 2 gezeigt,
ist der Schnittpunkt (Krümmungszentrum)
P der Kondensoroptik 10 näher als das mit C bezeichnete
Biegezentrum des durch die piezoelektrischen Elemente 30A und 30B gebogenen
Lichtleiters 20. Die Kondensoroptik 10 ist so
angeordnet, dass ihre Eintrittspupille in dem Schnittpunkt P liegt.
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In
der konfokalen Optik muss das Strahlenbündel, das die (in eine vorbestimmte
Position bewegte) Endfläche
des Lichtleiters 20 aussendet, nach Reflexion an der Objektfläche zuverlässig zu
der (in dieser vorgeschriebenen Position angeordneten) Endfläche des
Lichtleiters 20 geleitet oder zurückgeführt wird. In einer solchen
Abtastung, die das an der Objektfläche reflektierte Licht nutzt,
kann das reflektierte Licht mit hoher Effizienz auf die Kondensoroptik
zurückgeführt werden,
wenn der objektseitige Teil der Optik telezentrisch ausgebildet
ist. Das aus dem Austrittsende 21 ausgesendete Strahlenbündel wird über die
Kondensoroptik 10 und das Deckglas 80 auf das
Gewebe 400 konzentriert. Das an dem Gewebe 400 reflektierte
Licht kehrt dann über das
Deckglas 80 und die Kondensoroptik 10 zu dem Austrittsende 21 zurück. Die
konfokale Optik 100 ist mit anderen Worten so ausgebildet,
dass das reflektierte Licht Telezentrizität aufweist.
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Paraxial,
d.h. achsennah, kann man die Telezentrizität dadurch erreichen, dass die
Eintrittspupille in der vorderen (lichtleiterseitigen) Brennposition
der Kondensoroptik angeordnet wird. Dagegen wird im außeraxialen
Bereich dies sphärische Aberration
der Pupille größer, und
die Eintrittspupille verschiebt sich für außeraxiale Strahlenbündel aus
der Position, die man im Rahmen einer paraxialen Berechnung erhält. Die
Kondensoroptik 10 und der Lichtleiter 20 werden
deshalb so angeordnet, dass das Austrittsende 21 im vorderen Brennpunkt
der Kondensoroptik 10 liegt, wodurch die Telezentrizität des reflektierten
Lichtes im paraxialen Bereich sichergestellt ist. Um zudem die außeraxiale
Telezentrizität
des reflektierten Lichtes sicherzustellen, ist die konfokale Optik 100 so
ausgebildet, dass sie folgende Gleichung (5) erfüllt: 0,1 < –f/s < 1,0 (5)worin f die
zusammengesetzte Brennweite der gesamten Kondensoroptik 10 und
s den Abstand von dem vorderen Hauptpunkt H der Kondensoroptik 10 zu
dem Schnittpunkt P bezeichnet (dabei wird die auf das Gewebe 400 als
Objektfläche
weisende Richtung als positive Richtung aufgefasst). Die Bedingung
(5) dient dazu, ein isoliertes Minimum der Telezentrizität sicherzustellen,
selbst wenn das außeraxiale
Strahlenbündel
mit einer auf die Pupille bezogenen sphärischen Aberration einhergeht.
Ein Überschreiten
der oberen Grenze oder ein Unterschreiten der unteren Grenze der
Bedingung (5) führt
zu einer erheblichen Verschlechterung der Telezentrizität sowie
zu einem beträchtlichen
Abfall an Lichtmenge im Randbereich.
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Da
der Kerndurchmesser des Lichtleiters 20 äußerst klein
ist, dient das Austrittsende 21 nicht nur als Punktlichtquelle,
sondern auch als Blende. Indem die konfokale Optik 100 so
ausgebildet ist, dass die Bedingung (5) erfüllt ist, empfängt das
Austrittsende 21 in einer bestimmten Position nur Licht,
das von dem Austrittsende 21 in dieser bestimmten Position
ausgesendet und in einem Konzentrationspunkt auf dem Gewebe 400,
der zu dem Austrittsende 21 optisch konjugiert ist, reflektiert
worden ist.
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Das
reflektierte Licht, das in das Austrittsende 21 gelangt,
wird zu dem Prozessor geleitet und von diesem in ein Videosignal
gewandelt. Das Videosignal wird unter anderem an einen Monitor ausgegeben,
so dass mit der konfokalen Optik 100 erzeugte Bilder hoher
Vergrößerung dargestellt
werden.
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In
der oben beschriebenen konfokalen Optik wird die dreidimensionale
Abtastung durch die Abtasteinheit sowie die zum Bewegen der Kondensor-
oder Konzentrationsposition bestimmte Einheit möglich. Diese dreidimensionale
Abtastung erlaubt es, nicht nur Oberflächenbilder, sondern auch Tomogramme
von Gewebe in einer Körperkavität zu erhalten
und zu betrachten. Dabei führt
die Abtasteinheit die Abtastbewegung des Strahlenbündels nicht
an Hand von Spiegeln (wie in herkömmlichen konfokalen Optiken)
durch, sondern durch Bewegen der Punktlichtquelle. Das Gesamtsystem
kann so verkleinert werden. Durch Verwendung der oben beschriebenen
Kondensoroptik kann das Strahlenbündel, das von der durch die
Abtasteinheit bewegten Punktlichtquelle ausgesendet wird, auf die
Objektfläche
konzentriert und dabei zugleich der Lichtmengenverlust reduziert
werden. Außerdem
können
verschiedene Aberrationen unterdrückt werden. Durch den oben
beschriebenen Aufbau der konfokalen Optik ist die Betrachtung von
Gewebe in einem weiten Bereich und mit klaren und scharfen Bildern
möglich.
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Die
konfokale Optik mit dem oben beschriebenen Aufbau macht es möglich, den
Durchmesser des flexiblen Rohrs klein zu halten. Dadurch kann ein
integriertes Endoskop realisiert werden, das dem Benutzer die Handhabung
erleichtert.
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Im
Folgenden wird die Kondensoroptik 10, die in der oben beschriebenen
konfokalen Optik 100 eingebaut ist, im Detail beschrieben. 3 zeigt ein Beispiel für die Linsenanordnung
der Kondensoroptik 10.
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Die
Kondensoroptik 10 enthält
eine erste Gruppe G1 mit positiver Brechkraft, eine zweite Gruppe
G2, die mindestens eine Linse mit einer dem Deckglas 80 zugewandten
konkaven Fläche
enthält,
und eine dritte Linsengruppe G3 mit positiver Brechkraft. Das in 3 nicht gezeigte Austrittsende 21 des
Lichtleiters 20 befindet sich links der ersten Gruppe G1.
Indem die Kondensoroptik 10 aus diesen drei Gruppen G1,
G2 und G3 zusammengesetzt ist, kann die Gesamtlänge des Systems kurz gehalten
werden.
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Die
erste Gruppe G1 besteht in dieser Ausführungsform aus einer einzelnen
Linse, um durch eine möglichst
geringe Zahl an Linsen sowohl die Kosten zu senken als auch das
Gewicht zu reduzieren. Die erste Gruppe G1 fungiert mit ihrer positiven
Brechkraft als Kondensorlinse, die das von dem Austrittsende 21 ausgesendete
Strahlenbündel
(divergierendes Strahlenbündel)
verdichtet oder konzentriert.
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Die
zweite Gruppe G2 besteht wie die erste Gruppe G1 aus einer einzigen
Linse. Die zweite Gruppe G2 kann auch durch eine Kittlinse gebildet
sein, die eine positive Linse und eine negative Linse umfasst. Die in 3 gezeigte konkave Fläche r4,
die dem Deckglas 80 zugewandt ist, dient hauptsächlich dazu,
die Petzval-Summe klein zu halten. Sie hat demnach die Funktion,
die Bildfeldwölbung
zu korrigieren. Die mit der konkaven Fläche versehene Linse hat also
die Funktion einer Bildfeldebnungslinse.
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Die
dritte Gruppe G3 kann in drei Gruppen 3A, 3B und 3C unterteilt
sein. Die Gruppe 3A enthält eine Kittlinse (bestehend
aus einer positiven Linse und einer negativen Linse) und mindestens
eine positive Linse. Die zweite Gruppe lässt das Strahlenbündel, nachdem
es nach Durchgang durch die erste Gruppe verdichtet worden ist,
wieder divergieren. Die dritte Gruppe ist deshalb mit positiver
Brechkraft versehen, um das Strahlenbündel nach Durchgang durch die
zweite Gruppe wieder zu verdichten. Die Gruppe 3A hat insgesamt
positive Brechkraft.
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Die
Gruppe 3B besteht aus einer Kittlinse, die aus einer bikonkaven
Linse und einer bikonvexen Linse zusammengesetzt ist, und hat insgesamt
negative Brechkraft. Eine stark zerstreuende Fläche r12 der Gruppe 3B,
die dem Austrittsende 21 des Lichtleiters 20 zugewandt
ist, korrigiert die sphärische
Aberration. Eine Kittfläche
r13 trägt
zur Korrektion der chromatischen Längsaberration bei. Da die Korrektion
der chromatischen Längsaberration
allein durch die Kittfläche
r13 möglicherweise
nicht ausreicht, ist zur Stärkung
dieser Funktion auch die erste Gruppe G1 mit einer Korrektionsfunktion
hinsichtlich der chromatischen Längsaberration
versehen. Da die erste Gruppe G1, wie oben erwähnt, aus einer einzigen Linse
besteht, wird die Korrektionsfunktion hinsichtlich der chromatischen
Längsaberration
in dieser einzigen Linse dadurch realisiert, dass die Linse mit einer
Abbe-Zahl ν1
versehen wird, die folgende Bedingung (4) erfüllt: ν1 < 30 (4)
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Die
Gruppe 3C, die insgesamt positive Brechkraft hat, enthält mindestens
eine einzelne Linse. Die Gruppen 3B und 3C sind
exakt in Retrofokus-Konfiguration eingestellt.
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Indem
die dritte Gruppe wie oben beschrieben ausgebildet ist, können ein
für die
Abtastung ausreichender Arbeitsabstand (WD) sowie eine hohe numerische
Apertur, kurz NA, sichergestellt werden. Mit Arbeitsabstand ist
dabei der Abstand zwischen der Kondensoroptik und der Objektfläche gemeint.
Dabei verdichtet die Gruppe 3A das divergierende Strahlenbündel, das
aus der zweiten Gruppe G2 austritt. Die Gruppe 3B korrigiert
durch eine auf der Seite der Punktlichtquelle liegende stark zerstreuende
Fläche
einer negativen Linse, nämlich
der oben genannten bikonkaven Linse, die sphärische Aberration des verdichteten
Strahlenbündels,
das aus der Gruppe 3A austritt. Indem eine bikonvexe Linse
mit der negativen Linse, d.h. der bikonkaven Linse, verkittet ist,
kann zudem die chromatische Längsaberration
zufriedenstellend korrigiert werden. Die Brechkraft der Gruppe 3A sorgt
nicht für
eine Verdichtungswirkung, die ausreicht, eine hohe NA zu erzielen. Deshalb
ist die Gruppe 3C mit positiver Brechkraft versehen, um
das Strahlenbündel
genügend
zu verdichten. Die Gruppen 3B und 3C bilden dabei
die sogenannte Retrofokus-Konfiguration, durch die ein ausreichender Arbeitsabstand
sichergestellt ist.
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Die
Kondensoroptik 10 ist so ausgebildet, dass sie folgende
Bedingung (1) erfüllt: 0,1 < |m × NA| < 0,2 (1)worin
m den Abbildungsmaßstab
(Vergrößerung)
der Kondensoroptik 10 und NA die numerische Apertur auf der
Objektseite der Kondensoroptik 10 bezeichnet.
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Die
Bedingung (1) spezifiziert die Beziehung zwischen einem Abtastbereich,
den man durch Bewegen der Punktlichtquelle erreicht, und der numerischen
Apertur NA der Kondensoroptik auf deren Objektseite. Unterschreitet
der Wert |m × NA|
die untere Grenze, so ist die numerische Apertur unzureichend, und
es ist unmöglich,
eine ausreichende Auflösung
zu erzielen. Übersteigt
dagegen der vorstehend genannte Wert die obere Grenze, so wird die
numerische Apertur zu groß und
die Korrektion der sphärischen
Aberration schwierig. Außerdem
wird der Abbildungsmaßstab
zu klein, und es wird schwierig, einen ausreichenden Abtastbereich sicherzustellen.
Die Kondensoroptik, welche die Bedingung (1) erfüllt, ist deshalb für einen
Aufbau geeignet, bei dem der Strahlpunkt die Objektfläche abtastet,
indem die Punktlichtquelle innerhalb des flexiblen Endoskoprohrs
schwingt, das nur einen beschränkten
Raum zur Verfügung
stellt.
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Die
Kondensoroptik 10, welche die Bedingung (1) erfüllt, ist
im Stande, das (aus dem Austrittsende 21 austretende) Strahlenbündel aus
der Spitze des flexiblen Rohrs auszusenden, das Strahlenbündel auf
der Objektfläche
zu verdichten und dabei zugleich den Verlust an Lichtmenge möglichst
gering zu halten und die Aberrationen zu unterdrücken.
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Die
Kondensoroptik 10 ist so ausgebildet, dass sie folgende
Bedingungen (2) und (3) erfüllt: 0,1 < d0/f1 < 0,5 (2) 0,2 < |f1/f| < 2,0 (3) worin
d0 den Abstand von dem Austrittsende 21 zu der ersten Fläche r1 der
Kondensoroptik 10, f die zusammengesetzte Brennweite der
Kondensoroptik 10 insgesamt und f1 die Brennweite der ersten
Gruppe G1 bezeichnet.
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Um
die Abtastung mit dem Strahlenbündel
vorzunehmen, bewegt sich die Punktlichtquelle beständig. Dabei
divergiert das von der Punktlichtquelle ausgegebene Strahlenbündel zunächst, d.h.
es wird um so stärker
zerstreut, je länger
der Abstand von der Punktlichtquelle wird. In der Kondensoroptik
wird das divergierende Strahlenbündel
durch die erste Gruppe G1 verdichtet, die der Punktlichtquelle unmittelbar
nachgeordnet ist. Der Linsendurchmesser der ersten Gruppe kann so
verringert werden, und die gesamte Kondensoroptik kann weiter miniaturisiert
werden, wenn die erste Gruppe näher
an die Punktlichtquelle herangebracht wird. Wird jedoch die erste
Gruppe zu nahe an die Punktlichtquelle herangebracht, so könnte dies
dazu führen,
dass die Linse der ersten Gruppe mit der sich bewegenden Punktlichtquelle
in Kontakt kommt. Die Bedingung (2) spezifiziert eine solche Positionsbeziehung
zwischen der Punktlichtquelle und der ersten Gruppe G1 unter Berücksichtigung
der Miniaturisierung der Kondensoroptik. Eine solche Miniaturisierung
wird schwierig, wenn der Wert d0/f1 die obere Grenze der Bedingung
(2) übersteigt.
Dagegen kommt die erste Gruppe in Kontakt mit der Punktlichtquelle,
wenn der vorstehend genannte Wert die untere Grenze unterschreitet.
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Wie
oben erwähnt,
hat die erste Gruppe positive Brechkraft, um das divergierende Strahlenbündel, das
von der Punktlichtquelle ausgesendet wird, zu verdichten. Die Bedingung
(3) dient dazu, die Brechkraft der ersten Gruppe unter Berücksichtigung
des Brechkraftgleichgewichts mit der Brechkraft des Gesamtsystems
geeignet einzustellen. Unterschreitet der Wert |f1/f| die untere
Grenze der Bedingung (3), so wird die Brechkraft der ersten Gruppe
zu stark, was zu Verzeichnung führen
kann. Übersteigt
dieser Wert dagegen die obere Grenze, so wird die Brechkraft der
ersten Gruppe zu schwach, wodurch der Durchmesser der die erste Gruppe
bildenden Linse übermäßig groß wird.
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Sind
beide Bedingungen (2) und (3) erfüllt, so ist die Kondensoroptik 10 im
Stande, die verschiedenen Aberrationen wie beispielsweise Verzeichnung
etc. zu unterdrücken,
und kann zugleich miniaturisiert werden.
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Im
Folgenden werden vier konkrete Beispiele für die Kondensoroptik 10 in
der ersten Ausführungsform im
Detail beschrieben.
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Beispiel 1-1
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3 ist eine schematische
Darstellung, welche die Linsenanordnung der Kondensoroptik 10 als
erstes Beispiel der ersten Ausführungsform
zeigt. In der folgenden Tabelle 1 sind die speziellen numerischen
Daten der Kondensoroptik 10 des ersten Beispiels angegeben.
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In
Tabelle 1 bezeichnet Nr. die Flächennummer,
r den Krümmungsradius
[mm] der jeweiligen Linsenfläche,
d die Lindendicke oder den Linsenabstand [mm], n den Brechungsindex
bei der Wellenlänge
der D-Linie (588 nm), ν die
Abbe-Zahl bei der Wellenlänge
der D-Linie und ANMERKUNGEN das optische Element, das durch die
jeweiligen Flächennummer
angegeben ist (desgleichen in den folgenden Tabellen).
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Beispiel 1-2
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4 ist eine schematische
Darstellung, welche die Linsenanordnung einer Kondensoroptik 10 als zweites
Beispiel der ersten Ausführungsform
zeigt. In der folgenden Tabelle 2 sind die speziellen numerischen Daten
der Kondensoroptik 10 des zweiten Beispiels angegeben.
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Beispiel 1-3
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5 ist eine schematische
Darstellung, welche die Linsenanordnung einer Kondensoroptik 10 als drittes
Beispiel der ersten Ausführungsform
zeigt. In Tabelle 3 sind die speziellen numerischen Daten der Kondensoroptik 10 des
dritten Beispiels angegeben.
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Beispiel 1-4
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6 ist eine schematische
Darstellung, welche die Linsenanordnung einer Kondensoroptik 10 als viertes
Beispiel der ersten Ausführungsform
zeigt. In der folgenden Tabelle 4 sind die speziellen numerischen Daten
der Kondensoroptik 10 des vierten Beispiels angegeben.
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Wie
in den 3 bis 6 gezeigt, besteht in dem
ersten bis vierten Beispiel der ersten Ausführungsform die erste Gruppe
G1 nur aus einer einzelnen Linse, so dass die Zahl an Linsen an
damit auch das Gewicht der Kondensoroptik 10 ver ringert
werden können.
In dem ersten bis dritten Beispiel besteht die zweite Gruppe G2 aus
einer einzelnen Linse, während
in dem vierten Beispiel eine Kittlinse verwendet und dadurch eine
hohe numerische Apertur von 0,48 bewältigt wird. In jedem dieser
Beispiele enthält
die Gruppe 3A zwei einzelne positive Linsen. Die Gruppe 3C besteht
aus einer bikonvexen Linse und einer positiven Meniskuslinse. Indem die
positive Brechkraft auf zwei oder mehr einzelne Linsen verteilt
wird, können
sphärische
Aberration und Koma, die bei Verwendung einer sphärischen
Linse als Gruppe 3A oder 3C auftreten, gut unterdrückt werden.
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In
der folgenden Tabelle 5 sind für
die Kondensoroptiken 10 des ersten bis vierten Beispiels
der ersten Ausführungsform
d e Werte angegeben, die in den Ausdrücken der oben genannten Bedingungen
(1) bis (5) enthalten sind. In Tabelle 5 bezeichnet H1 den Abstand
der ersten Fläche
r1 zu dem vorderen Hauptpunkt. Die in den Bedingungen (1) bis (5)
angegebenen Ausdrücke,
die man nach Einsetzen der in Tabelle 5 angegebenen Werte erhält, sind
in Tabelle 6 angegeben.
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In
den 7A bis 10D sind Graphen angegeben,
die in den Kondensoroptiken 10 des ersten bis vierten Beispiels
der ersten Ausführungsform
auftreten. Dabei zeigen die 7A, 8A, 9A und 10A die
sphärische Aberration
und die chromatische Längsaberration,
die 7B, 8B, 9B und 10B die chromatische Queraberration,
die 7C, 8C, 9C und 10C den Astigmatismus und
die 7D, 8D, 9D und 10D die Verzeichnung. In den
Graphen der 7A, 8A, 9A und 10A,
welche die sphärische
Aberration und die chromatische Längsaberration zeigen, bezeichnet E-Linie
eine Wellenlänge
von 5 46 nm und F-Linie eine Wellenlänge von 486 nm. In den Graphen 7C, 8C, 9C und 10C,
die den Astigmatismus zeigen, bedeutet S Sagittal und M Meridional. Das
erste bis vierte Beispiel erfüllen
jeweils sämtliche
Bedingungen (1) bis (5), wie aus Tabelle 6 hervorgeht. In den Kondensoroptiken 10 des
ersten bis vierten Beispiels der ersten Ausführungsform sind deshalb die
Aberrationen ausgezeichnet unterdrückt.
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Wie
aus obiger Beschreibung hervorgeht, stellt die erste Ausführungsform
der Erfindung eine Kondensoroptik bereit, die für eine konfokale Optik (in
der eine dreidimensionale Abtastung durch eine in Schwingung versetzte
Punktlichtquelle umgesetzt ist) geeignet und im Stande ist, verschiedene
Aberrationen in ausreichendem Maße zu unterdrücken und
den Lichtmengenverlust zu reduzieren. Die mit einer solchen Kondensoroptik ausgestattete
konfokale Optik kann klein gebaut werden und stellt zugleich einen
weiten Abtastbereich bereit. Mit einer solchen konfokalen Optik
kann ein integriertes Endoskop mit einem dünnen flexiblen Rohr realisiert werden.
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Ausführungsform 2
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11 ist eine vergrößerte schematische
Darstellung, die den Aufbau einer konfokalen Optik 100a nach
einer zweiten Ausführungsform
rund um deren Kondensoroptik 10a zeigt. Während die
konfokale Optik 100 nach der ersten Ausführungsform
in dem integrierten Direktsicht-Endoskop 300 eingebaut
ist, befindet sich die konfokale Optik 100a nach der zweiten
Ausführungsform
in einem integrierten Seitensicht-Endoskop eingebaut, das eine Seitensichtoptik
enthält
und dazu dient, lebendes Gewebe 400 in einer Körperkavität mit hoher
Vergrößerung zu
betrachten. Ähnlich
wie das in der ersten Ausführungsform
beschriebene integrierte Direktsicht-Endoskop 300 enthält das integrierte
Seitensicht-Endoskop eine nicht gezeigte Normalbetrachtungsoptik,
die der normalen Betrachtung des Gewebes 400 dient. Das
Seitensicht-Endoskop ist elektrisch und optisch an einen nicht gezeigten
Prozessor gekoppelt, der unter anderem eine Lichtabgabeeinheit zum
Aussenden von Beleuchtungslicht auf das Gewebe 400 und
eine Bildverar beitungseinheit enthält, die Bilder des Gewebes 400,
die von den einzelnen Optiken eingefangen werden, geeignet verarbeitet.
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Die
konfokale Optik 100a enthält eine Kondensoroptik 10a,
einen Einmoden-Lichtleiter 20,
ein Deckglas 80, einen Lichtleiterantrieb 30 und
einen Linsenantrieb 90. Die Kondensoroptik 10a enthält eine
erste Gruppe G1, die dem Austrittsende 21 des Lichtleiters 20 am
nächsten
ist, eine Umlenkgruppe GD und eine zweite Gruppe G2. Der Lichtleiter 20,
der Lichtleiterantrieb 30, die erste Gruppe G1, die Umlenkgruppe
GD und das Deckglas 80 sind innerhalb der konfokalen Optik 100a befestigt.
Die zweite Gruppe G2 ist an dem Linsenantrieb 90 so gehalten,
dass sie in Richtung der optischen Achse der zweiten Gruppe G2 verschiebbar
ist. Indem das Deckglas 80 gegen die Objektfläche gedrückt wird,
ist ein geeigneter Abstand zwischen der innerhalb des Objektes liegenden
Konzentrationsposition und der Objektfläche sichergestellt. Indem zumindest
der Abstand zwischen der zweiten Gruppe G2 und dem Deckglas 80 durch
Bewegen der zweiten Gruppe G2 in Richtung der optischen Achse geändert wird,
kann die Konzentrationsposition in Richtung der optischen Achse, d.h.
in Richtung der Objekttiefe bewegt werden.
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In
den auf diese Ausführungsform
bezogenen Figuren einschließlich 11 wird die Einbaurichtung des
Lichtleiters 20 und damit die Richtung der optischen Achse
der Gruppe G1 im Folgenden als Z-Richtung bezeichnet, während die
beiden zu dieser Z-Richtung senkrechten Ebene im Folgenden als X-Richtung
bzw. Y-Richtung
bezeichnet werden. Die X-Richtung und die Y-Richtung definieren
eine Ebene (X-Y-Ebene), die senkrecht zur Z-Richtung liegt. Die
Richtung der optischen Achse der zweiten Gruppe G2 wird im Folgenden als
AX2-Richtung bezeichnet. Im Folgenden nehmen einige Erläuterungen
der Einfachheit halber auf einen imaginären Zustand Bezug, in dem die
optische Achse der Kondensoroptik 10a zu einer geraden
Linie ausgerichtet ist.
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Der
Lichtleiter 20 befindet sich zwischen der Lichtabgabeeinheit
des Prozessors und der Kondensoroptik 10a. Der Lichtleiterantrieb 30 ist
in der Nähe
des Austrittsendes 21 des Lichtleiters 20 angeordnet.
Der Lichtleiterantrieb 30 enthält zwei piezoelektrische Elemente 30A und 30B,
deren Verschieberichtungen in einer X-Y-Ebene senkrecht zueinander sind (X-Richtung,
Y-Richtung). Entsprechend den Spannungen, die geeignet an die piezoelektrischen
Elemente 30A und 30B des Lichtleiterantriebs 30 angelegt
werden, drückt
und bewegt letzterer den Teil des Lichtleiters 20, der
sich in der Nähe
des Austrittsendes 21 befindet, in X-Richtung und Y-Richtung.
Dadurch tastet das von dem Austrittsende 21 ausgegebene
Strahlenbündel
die Oberfläche des
Gewebes 400 zweidimensional ab.
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Der
Linsenantrieb 90 treibt die zweite Gruppe G2 in AX2-Richtung
an, so dass der Lichtbündelpunkt (Brennpunkt)
des Strahlenbündels,
das von dem Austrittsende 21 des Lichtleiters 20 abgegeben
wird und durch die Kondensoroptik 10a läuft, sich etwas in AX2-Richtung
verschiebt. Durch die vorstehend beschriebenen Funktionen des Lichtleiterantriebs 30 und
des Linsenantriebs 90 ist die konfokale Optik 100a im
Stande, dreidimensionale Bilder (in X-, Y- und AX2-Richtung) des
Gewebes 400 zu erzeugen.
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Der
Lichtleiter 20 führt
das Strahlenbündel
aus der Lichtabgabeeinheit des Prozessors auf die konfokale Optik 100a und
sendet es aus seinem Austrittsende 21 aus. Das Austrittsende 21 des
Lichtleiters 20 fungiert demnach als sekundäre Punktlichtquelle.
Wie oben beschrieben, wird das Austrittsende 21 durch den Lichtleiterantrieb 30 in
der X-Y-Ebene bewegt. Streng genommen bildet die Ortskurve des Austrittsendes 21 eine
gekrümmte
Fläche
(gestrichelter Pfeil) um einen Schnittpunkt (Krümmungszentrum) P herum, in
dem die optische Achse (Strichpunktlinie) die Verlängerung
(fette Strichpunktlinie) des Hauptstrahls des aus dem Austrittsende 21 ausgesendeten
Strahlenbündels
schneidet, wie 11 zeigt.
Da jedoch der Hub des Austrittsendes 21 sehr klein ist,
kann diese gekrümmte
Fläche
als im Wesentlichen identisch mit der X-Y-Ebene aufgefasst werden.
Wie aus 11 hervorgeht,
ist der Schnittpunkt (Krümmungszentrum)
P der Kondensoroptik 10a näher als das Biegezentrum C
des durch den Lichtleiterantrieb 30 gebogenen Lichtleiters 20.
Die erste Gruppe G1 der Kondensoroptik 10a ist so angeordnet,
dass ihre Eintrittspupille in dem Schnittpunkt P liegt.
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Das
von dem Austrittsende 21 ausgesendete Strahlenbündel wird über die
Kondensoroptik 10a und das Deckglas 80 auf das
Gewebe 400 verdichtet. Das an dem Gewebe 400 reflektierte
Licht kehrt über
das Deckglas 80 und die Kondensoroptik 10a zu
dem Austrittsende 21 zurück. Dies bedeutet, dass die
konfokale Optik 100a so ausgebildet ist, dass das an dem
Gewebe 400 reflektierte Licht Telezentrizität aufweist.
Die Kondensoroptik 10a und der Lichtleiter 20 sind
demnach so angeordnet, dass sich das Austrittsende 21 in
dem vorderen Brennpunkt der Kondensoroptik 10a befindet,
so dass im paraxialen, d.h. achsennahen Bereich die Telezentrizität des reflektierten
Lichtes sichergestellt ist. Um zudem die Telezentrizität des reflektierten
Lichtes im außeraxialen
Bereich zu gewährleisten,
ist die konfokale Optik 100a so ausgebildet, dass sie folgende
Bedingung (7a) erfüllt: 0,1 < –f/s < 1,0 (7a)worin f
die zusammengesetzte Brennweite der gesamten Kondensoroptik 10a und
s den Abstand von dem vorderen Hauptpunkt H der Kondensoroptik 10a zu
dem Schnittpunkt P bezeichnet (dabei wird die Richtung, die auf
das die Objektfläche
bildende Gewebe weist, positiv aufgefasst).
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Da
der Kerndurchmesser des Lichtleiters 20 äußerst klein
ist, dient das Austrittsende 21 nicht nur als Punktlichtquelle,
sondern auch als Blende. Indem die konfokale Optik 100a so
ausgebildet ist, dass sie die Bedingung (7a) erfüllt, empfängt das Austrittsende 21 in
einer bestimmten Position nur Licht, das es in dieser bestimmten
Position vorher ausgesendet hat und das an einem Konzentrationspunkt
auf dem Gewebe 400, der optisch konjugiert zu dem Austrittsende 21 ist,
reflektiert worden ist.
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Das
reflektierte Licht, das in das Austrittsende 21 gelangt,
wird zu dem Prozessor geleitet und von diesem in ein Videosignal
gewandelt. Das Videosignal wird unter anderem an einen Monitor ausgegeben,
so dass mit der konfokalen Optik 100a erzeugte Bilder hoher
Vergrößerung dargestellt
werden.
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In
der oben beschriebenen konfokalen Optik wird die dreidimensionale
Abtastung möglich
durch die Abtasteinheit und die den Konzentrationspunkt bewegende
Verstelleinheit, so dass nicht nur Oberflächenbilder, sondern auch Tomogramme
von Gewebe in einer Körperkavität erzeugt
und betrachtet werden können. Dabei
nimmt die Abtasteinheit die Abtastung mit dem Strahlenbündel nicht
an Hand von Spiegeln (wie in herkömmlichen konfokalen Optiken)
vor, sondern durch Bewegen der Punktlichtquelle. Das Gesamtsystem
kann so verkleinert werden. Die oben beschriebenen Kondensoroptik
gestattet es ferner, das Strahlenbündel, das von der durch die
Abtasteinheit bewegten Punktlichtquelle ausgesendet wird, auf die
Objektfläche
zu verdichten und dabei zugleich den Verlust an Lichtmenge zu reduzieren
und verschiedene Aberrationen zu unterdrücken. Diese konfokale Optik
ermöglicht
so die Betrachtung von Gewebe an Hand von klaren und scharfen Bildern
und über
einen weiten Bereich.
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Bei
der oben beschriebenen konfokalen Seitensicht-Optik kann der Durchmesser
des flexiblen Rohrs klein gehalten werden. Dadurch kann ein integriertes
Seitensicht-Endoskop realisiert werden, das dem Benutzer die Handhabung
erleichtert.
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Im
Folgenden wird die in der konfokalen Optik 100a eingebaute
Kondensoroptik 10a im Detail beschrieben. 12 zeigt ein Beispiel für die Linsenanordnung
der Kondensoroptik 10a.
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In
der Kondensoroptik 10a enthält die erste Gruppe G1 eine
Gruppe 1A mit positiver Brechkraft, eine Gruppe 1B,
die eine einzelne Linse oder eine Kittlinse mit mindestens einer
dem Deckglas 80 zugewandten konkaven Fläche enthält, sowie eine Gruppe 1C,
die aus einer Kittlinse oder einer einzelnen Linse besteht. Das
in 12 nicht gezeigte
Austrittsende 21 des Lichtleiters 20 liegt links
der Gruppe 1A.
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Die
Gruppe 1A bündelt
infolge ihrer positiven Brechkraft das aus der Punktlichtquelle
stammende divergente Strahlenbündel.
Die Gruppe 1A hat also die Funkti on einer Kondensorlinse.
Die konkave Fläche
der Gruppe 1B dient hauptsächlich dazu, die Petzval-Summe
gering zu halten, wodurch die Bildfeldwölbung korrigiert wird. Die
mit der konkaven Fläche
ausgestattete Linse hat also die Funktion einer Bildfeldebnungslinse. Die
Gruppe 1B zerstreut das Strahlenbündel wieder, das nach Durchtritt
durch die Gruppe 1A verdichtet worden ist. Die Gruppe 1C hat
positive Brechkraft, um zu verhindern, dass das Strahlenbündel (nach
Durchtritt durch die Gruppe 1B) divergiert. Indem die Kondensoroptik 10a wie
oben beschrieben auf gebaut ist, kann die gesamte Länge des
Systems kurz gehalten werden.
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Die
Gruppe 1A kann aus zwei oder mehr Linsen gebildet sein.
In dieser Ausführungsform
besteht sie jedoch aus einer einzelnen Linse, so dass die Linsenzahl
insgesamt verringert ist, wodurch Kosten und Gewicht gesenkt werden.
Die mit positiver Brechkraft versehene Gruppe 1A fungiert
als Kondensorlinse, die das aus dem Austrittsende 21 ausgesendete
divergente Strahlenbündel
verdichtet. In der Gruppe 1C und/oder der zweiten Gruppe
G2 vorhandene Kittlinsen, insbesondere deren Kittflächen, dienen
hauptsächlich
dazu, die chromatische Längsaberration
zu korrigieren. Die chromatische Queraberration können sie
dagegen nicht korrigieren. Die Bedingung (4a) dient dazu, die Gruppe 1A mit
einer geeigneten chromatischen Aberration zu versehen und so die
chromatische Längsaberration
und die chromatische Queraberration in ihrer Gesamtheit zu korrigieren.
Besteht die Gruppe 1A aus einer einzelnen Linse, so kann
die chromatische Queraberration wirksam mit dieser einzelnen Linse
unterdrückt
werden, wenn deren Abbe-Zahl ν1
die Bedingung (4a) erfüllt.
Um diese einzelne Linse (Gruppe 1A) mit der Korrektionsfunktion
hinsichtlich der chromatischen Längsaberration zu
versehen, wird diese Linse mit einer Abbe-Zahl ν1A versehen, welche die folgende
Bedingung (4a) erfüllt: ν1A < 30 (4a)
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Die
Kondensoroptik 10a ist so ausgebildet, dass sie folgende
Bedingungen (2a) und (3a) erfüllt: 0,1 < d0/f1A < 0,5 (2a) 0,2 < |f1A/f1| < 0,8 (3a)worin
d0 den Abstand von dem Austrittsende 21 zu der ersten Fläche r1 der
Kondensoroptik 10a, f1 die zusammengesetzte Brennweite
der ersten Gruppe G1 und f1A die Brennweite der Gruppe 1A bezeichnet.
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Die
Punktlichtquelle wird ständig
bewegt, um die Abtastung mit dem Strahlenbündel vorzunehmen. Dabei divergiert
zunächst
das von der Punktlichtquelle ausgesendete Strahlenbündel, d.h.
es wird um so stärker
zerstreut, je größer der
Abstand von der Punktlichtquelle ist. In der Kondensoroptik 10a wird
das divergierende Strahlenbündel
von der Gruppe 1A verdichtet, die der Punktlichtquelle
unmittelbar nachgeordnet ist. So kann der Linsendurchmesser der
Gruppe 1A verringert und die Kondensoroptik 10a insgesamt
noch weiter miniaturisiert werden, da die Gruppe 1A näher an der
Punktlichtquelle angeordnet ist. Wird jedoch die Gruppe 1A zu
nahe an der Punktlichtquelle angeordnet, so kommt deren Linse gegebenenfalls
in Kontakt mit der bewegten Punktlichtquelle. Die Bedingung (2a)
spezifiziert die Positionsbeziehung zwischen der Punktlichtquelle und
der Gruppe 1A unter Berücksichtigung
der Miniaturisierung der Kondensoroptik 10a. Eine solche
Miniaturisierung wird schwierig, wenn der Wert d0/f1A die obere
Grenze der Bedingung (2a) übersteigt.
Unterschreitet dagegen dieser Wert die untere Grenze, so kommt die
Gruppe 1A in Kontakt mit der Punktlichtquelle.
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Wie
oben erläutert,
hat die Gruppe 1A positive Brechkraft, um das von der Punktlichtquelle
ausgesendete divergierende Strahlenbündel zu verdichten. Die Bedingung
(3a) dient dazu, die Brechkraft der Gruppe 1A unter Berücksichtigung
des Brechkraftgleichgewichts mit der Brechkraft des Gesamtsystems
geeignet einzustellen. Unterschreitet der Wert |f1A/f1| die untere
Grenze der Bedingung (3a), so wird die Brechkraft der Gruppe 1A zu
stark, was möglicherweise
Verzeichnung verursacht. Übersteigt
dagegen dieser Wert die obere Grenze, so wird die Brech kraft der
Gruppe 1A zu schwach, wodurch der Durchmesse der die Gruppe 1A bildenden
Linse übermäßig groß wird.
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Die
Bedingungen (2a) und (3a) dienen der Miniaturisierung der Kondensoroptik 10a.
Sind die beiden Bedingungen (2a) und (3a) erfüllt, so kann die Kondensoroptik 10a die
verschiedenen Aberrationen wie unter anderem die Verzeichnung in
ausreichendem Maße
unterdrücken
und ist zugleich miniaturisiert.
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Eine
dem Deckglas 80 zugewandte konkave Fläche r4 der Gruppe 1A ist
so ausgebildet, dass sie die Bildfeldwölbung korrigiert. Dabei wird
das aus der Gruppe 1B austretende Strahlenbündel durch
die Wirkung der konkaven Fläche
r4 zerstreut. Die Gruppe 1C ist mit positiver Brechkraft
versehen, um die Divergenz des Strahlenbündels zu verringern. Eine Kittfläche r6 der
Gruppe 1C hat die Funktion, die chromatische Längsaberration
zu korrigieren.
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Die
Gruppe G1 enthält
eine Kittlinse (bestehend aus einer bikonkaven Linse und einer bikonvexen
Linse) und mindestens eine einzelne positive Linse. Die Kittlinse
hat insgesamt negative Brechkraft. Eine dem Austrittsende 21 des
Lichtleiters 20 zugewandete, stark zerstreuende Fläche r16
der Kittlinse hat die Funktion, sphärische Aberration und Koma
zu korrigieren. Eine Kittfläche
r17 der Kittlinse trägt
im Zusammenwirken mit der oben genannten Fläche r6 zur Korrektion der chromatischen
Längsaberration
bei. Wie oben erwähnt,
ist die auf die chromatische Längsaberration
bezogenen Korrektionsfunktion in dieser Ausführungsform sowohl der ersten
Gruppe G1 als auch der zweiten Gruppe G2 zugedacht, so dass in jeder
dieser Gruppen G1 und G2 die chromatische Längsaberration korrigiert wird.
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Wie
oben beschrieben, ist die zweite Gruppe G2 über den Linsenantrieb 90 verschiebbar
in einem Zustand gehalten, in dem sie selbst mittels der Kittlinse
verschiedene Aberrationen unterdrückt. Dabei ist in dieser Ausführungsform
in der zweiten Gruppe G2 die positive Brechkraft auf drei einzelne
Linsen verteilt, wodurch sphärische
Aberration und Koma, die in jeder Linse erzeugt werden, redu ziert
werden. Die beiden einzelnen Linsen der zweiten Gruppe G2 auf der
Seite der Glasabdeckung 80 und die Kittlinse befinden sich
exakt in einer Retrofokus-Konfiguration,
wodurch ein ausreichender Arbeitsabstand sichergestellt ist.
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In
der oben beschriebenen Kondensoroptik 10a ist es erforderlich,
eine Änderung
des Abbildungsmaßstabs
(Vergrößerung)
oder einen Anstieg der Aberrationen zu verhindern, die durch Bewegen
der zweiten Linsengruppe G2 verursacht werden können.
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Um
zunächst
einen durch das Bewegen der zweiten Linsengruppe G2 verursachten
Anstieg der Aberrationen zu vermeiden, ist die Kondensoroptik 10a so
ausgebildet, dass das Strahlenbündel,
das aus der Umlenkgruppe GD austritt und auf die zweite Gruppe G2
fällt,
ein weitgehend paralleles Strahlenbündel ist. Eine Dezentrierung
kann infolge individueller Unterschiede (z.B. Bearbeitungsfehler)
der Umlenkgruppe GD auftreten. So kommt es beispielsweise vor, dass
ein Strahlenbündel,
das auf der optischen Achse der ersten Gruppe G1 läuft, infolge
dieser individuellen Unterschiede der Umlenkgruppe GD außerhalb
der optischen Achse der zweiten Gruppe G2 läuft. Um diesen Dezentrierungseffekt
der Umlenkgruppe GD zu verringern, besteht die Umlenkgruppe GD aus
nur optischen Elementen, die aus ebenen Flächen gebildet sind. Besteht
jedoch die Umlenkgruppe GD nur aus optischen Elementen, die aus
ebenen Flächen
gebildet sind, so muss das Strahlenbündel, das aus der ersten Gruppe
G1 austritt und auf die Umlenkgruppe GD fällt, parallel sein, damit auch
das auf die zweite Gruppe G2 fallende Strahlenbündel parallel ist. Deshalb
sind die erste Gruppe G1 und die zweite Gruppe G2 in der Kondensoroptik 10a so
ausgebildet, dass sie folgende Bedingung (5a) erfüllen: 0,97 < f2xm/f1 < 1,03 (5a)worin f1
die zusammengesetzte Brennweite der ersten Gruppe G1, f2 die zusammengesetzte
Brennweite der zweiten Gruppe G2 und m den Abbildungsmaßstab (Vergrößerung)
der Kondensoroptik 10a bezeichnet.
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Indem
die Gruppen G1 und G2 so ausgebildet sind, dass sie Bedingung (5a)
erfüllen,
d.h. indem das aus der Umlenkgruppe GD austretende und auf die zweite
Gruppe G2 fallende Strahlenbündel
ein weitgehendes paralleles Bündel
ist, wird die Positionierung der ersten Gruppe G1 und der zweiten
Gruppe G2 in der konfokalen Optik 100a zueinander einfach.
Es ist deshalb keine hohe Montagegenauigkeit mehr erforderlich.
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Wird
der von der Umlenkgruppe GD eingenommene Zwischenraum, d.h. die
sogenannte "Luftlänge", groß, so tritt
möglicherweise
Vignettierung durch den Einfall außeraxialer Strahlenbündel, die
bestimmte Winkel gegenüber
der optischen Achse aufweisen, in die zweite Gruppe G2 auf. In dieser
Ausführungsform
ist die Umlenkgruppe GD durch ein Prisma gebildet, da in diesem
Fall die Luftlänge
kleiner als bei einer aus Spiegeln gebildeten Umlenkgruppe angesetzt
werden kann. Das Prisma ist so angeordnet, dass das einfallende
Strahlenbündel
an mindestens einer optisch wirksamen Fläche des Prismas totalreflektiert
wird. Durch diese Totalreflexion kann ein Verlust an Lichtmenge
während
der von der Umlenkgruppe GD vorgenommenen Strahlumlenkung vermieden
und damit die Lichteffizienz gesteigert werden. Die Art des für die Umlenkgruppe
GD verwendeten Prismas ist abhängig
von dem Umlenkwinkel (d.h. um wieviel Grad der Strahlengang des
Strahlenbündels
umgelenkt werden soll), der für
die Seitensicht des Gewebes 400 erforderlich ist. Dieser
Umlenkwinkel ist gleich dem Winkel zwischen der optischen Achse
der ersten Gruppe G1 und der der zweiten Gruppe G2. Dabei kann die
Umlenkgruppe GD als zweifach reflektierendes Prisma ausgebildet
sein, wenn der Winkel gleich 60° oder
kleiner ist (vergl. das später
beschriebene erste und dritte Beispiel).
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Beispielsweise
wird vorzugsweise ein dreiseitiges Prisma verwendet, wenn der Winkel
zwischen der optischen Achse der ersten Gruppe G1 und der der zweiten
Gruppe G2 größer als
60° ist.
Ein rechtwinkliges Prisma kann verwendet werden, wenn der Winkel
90° ist.
Bei einem rechtwinkligen Prisma erhält man eine kurze Luftlänge, indem
die Hypotenusenflächen
des rechtwinkligen Prismas als totalreflektierende Fläche ausgebildet
wird. Ist der Winkel gleich 60° oder
kleiner, so ist zur Verringerung der Luftlänge ein Prisma geeignet, welches
das Strahlenbündel
umlenkt, indem es dieses zweimal reflektiert, z.B. ein Prisma mit
einem die optische Achse enthaltenden fünfseitigen Querschnitt. Ein
solches Prisma wird im Folgenden als "zweifach reflektierendes Prisma" bezeichnet. Jedes
dieser Prismen kann als wie oben beschrieben gestaltetes Einzelprisma oder
als Kittprisma ausgebildet sein, das aus zwei oder mehreren Polygonprismen
besteht. Bereitet es Schwierigkeiten, ein zweifach reflektierendes
Prisma so zu gestalten und anzuordnen, dass beide Reflexionsflächen das
Strahlenbündel
totalreflektieren, so kann beispielsweise eine der Reflexionsflächen mit
einem Metall beschichtet werden.
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In
der Kondensoroptik 10a nach der zweiten Ausführungsform
ist der Winkel entsprechend folgender Bedingung (6a) eingestellt,
so dass das einfallende Strahlenbündel die Bedingung für die Totalreflexion
in der Umlenkgruppe GD erfüllt. 35° < < 105° (6a)
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Unterschreitet
der Winkel die untere Grenze der Bedingung (6a), so kann eine Vignettierung
infolge von außeraxialen
Strahlenbündeln
auftreten, die nicht die Totalreflexionsbedingung eines zweifach
reflektierenden Prismas erfüllen. Übersteigt
dagegen der Winkel die obere Grenze, so kann eine Vignettierung
durch außeraxiale
Strahlenbündel
auftreten, die nicht die Totalreflexionsbedingung eines dreiseitigen
Prismas erfüllen.
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Die
Kondensoroptik 10a ist ferner so ausgebildet, dass sie
folgende Bedingung (1a) erfüllt: 0,1 < |m × NA| < 0,2 (1a) worin
m den Abbildungsmaßstab
(Vergrößerung)
und NA die numerische Apertur auf der Seite der Objektfläche der
Kondensoroptik 10a bezeichnet. Die die Bedingung (1a) erfüllende Kondensoroptik 10a ist
in der Lage, das (aus dem Austrittsende 21 abgegebene)
Strahlenbündel
aus der Spitze des flexiblen Rohrs auszusenden, das Strahlenbündel auf
die Objektfläche
zu verdichten und zugleich den Verlust an Lichtmenge möglichst
gering zu halten und die Aberrationen zu unterdrücken.
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In
konfokalen Optiken, die mit der sogenannten Lichtleiterabtastung
arbeiten, bei der das Austrittsende eines Einmoden-Lichtleiters
sowohl als Punktlichtquelle als auch als Lochblende genutzt wird,
muss die optische Achse der Kondensoroptik weitgehend in einer Linie
mit dem Lichtleiter liegen, der in Längsrichtung des flexiblen Rohrs
verläuft.
Die oben beschriebene Kondensoroptik ist deshalb besonders geeignet
für eine
konfokale Optik, die für
ein integriertes Seitensicht-Endoskop
bestimmt ist. In diesem Fall kann die Kondensoroptik in dem flexiblen
Rohr untergebracht werden, ohne dieses Rohr vergrößern zu
müssen,
indem die Kondensoroptik so angeordnet wird, dass die optische Achse
der ersten Gruppe G1 im Wesentlichen in einer Linie mit dem Lichtleiter
liegt.
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Im
Folgenden werden drei konkrete Beispiele für die Kondensoroptik 10a nach
der zweiten Ausführungsform
der Erfindung im Detail beschrieben.
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Beispiel 2-1
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12 ist eine schematische
Darstellung, welche die Linsenanordnung einer Kondensoroptik 10a als erstes
Beispiel der zweiten Ausführungsform
zeigt. In der folgenden Tabelle 7 sind spezielle numerische Daten der
Kondensoroptik 10a des ersten Beispiels angegeben.
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Wie
in den auf die erste Ausführungsform
bezogenen Tabellen bezeichnet in Tabelle 7 Nr. die Flächennummer,
r den Krümmungsradius
[mm] der jeweiligen Linsenfläche,
d die Linsendicke oder den Linsenabstand [mm], n den Brechungsindex
bei der Wellenlänge
der D-Linie (588 nm), ν die
Abbe-Zahl bei der Wellenlänge der
D-Linie und ANMERKUNGEN das mit der jeweiligen Flächennummer
bezeichnete optische Element (desgleichen für die folgenden Tabellen).
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In
der Kondensoroptik 10a des ersten Beispiels der zweiten
Ausführungsform
ist der Winkel zwischen der optischen Achse der ersten Gruppe G1
und der der zweiten Gruppe G2 auf 60° eingestellt. Deshalb werden als
Umlenkgruppe GD zwei Prismen verwendet. Der Strahlengang des Strahlenbündels wird
umgelenkt, indem die beiden Prismen das Strahlenbündel zweimal
reflektieren.
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Beispiel 2-2
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13 ist eine schematische
Darstellung, welche die Linsenanordnung einer Kondensoroptik 10a als zweites
Beispiel der zweiten Ausführungsform
zeigt. In der folgenden Tabelle 8 sind spezielle numerische Daten
der Kondensoroptik 10a dieses zweiten Beispiels angegeben.
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In
der Kondensoroptik 10a des zweiten Beispiels der zweiten
Ausführungsform
ist der Winkel auf 90° eingestellt.
Als Umlenkgruppe GD wird deshalb ein rechtwinkliges Prisma verwendet.
Der Strahlengang wird umgelenkt, indem die Hypotenusenfläche des
rechtwinkligen Prismas das einfallende Strahlenbündel totalreflektiert.
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Beispiel 2-3
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14 ist eine schematische
Darstellung, welche die Linsenanordnung einer Kondensoroptik 10a als drittes
Beispiel der zweiten Ausführungsform
zeigt. In der folgenden Tabelle 9 sind spezielle numerische Daten der
Kondensoroptik 10a des dritten Ausführungsbeispiels angegeben.
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In
der Kondensoroptik 10a des dritten Beispiels der zweiten
Ausführungsform
ist der Winkel auf 45° eingestellt.
Als Umlenkgruppe GD wird deshalb ein zweifach reflektierendes Prisma
verwendet.
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Wie
in den 12 bis 14 gezeigt, besteht in dem
ersten bis dritten Beispiel der zweiten Ausführungsform die Gruppe 1A nur
aus einer einzelnen Linse. Durch die verringerte Linsenzahl kann
des Gewicht der Kondensoroptik 10a verringert werden. Während in
dem ersten und dem dritten Beispiel die Gruppe 1B aus einer
einzelnen Linse besteht, arbeitet das zweite Beispiel mit einer
Kittlinse und bewältigt
so eine hohe NA von etwa 0,5. In jedem dieser Beispiele enthält die zweite
Gruppe G2 drei einzelne Linsen, auf welche die positive Brechkraft,
wie oben erwähnt,
verteilt ist, wodurch sphärische
Aberration und Koma, die bei Verwendung einer sphärischen
Linse als zweite Gruppe G2 auftreten, gut unterdrückt werden.
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In
der folgenden Tabelle 10 sind für
die Kondensoroptiken 10a des ersten bis dritten Beispiels
der zweiten Ausführungsform
die Werte angegeben, die in den in den Bedingungen (1) bis (7) angegebenen
Ausdrücken
enthalten sind. In Tabelle 10 bezeichnet H1 den Abstand von der
ersten Fläche
r1 zu dem vorderen Haupt Punkt H. Die in den Bedingungen (1) bis
(7) angegebenen Ausdrücke,
die man durch Einsetzen der in Tabelle 10 angegebenen Werte erhält, sind
in Tabelle aufgeführt.
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In
den 15A bis 17D sind Graphen dargestellt,
die Aberrationen zeigen, die in den Kondensoroptiken 10a des
ersten bis dritten Beispiels der zweiten Ausfüh rungsform auftreten. Dabei
zeigen die 15A, 16A und 17A die sphärische Aberration und die chromatische
Längsaberration,
die 15B, 16B und 17B die chromatische
Queraberration, die 15C, 16C und 17C den Astigmatismus und die 15D, 16D und 17D die
Verzeichnung. In den Graphen 15A, 16A und 17A,
welche die sphärische
Aberration und die chromatische Längsaberration zeigen, bezeichnet
die E-Linie eine Wellenlänge
von 546 nm und die F-Linie eine Wellenlänge von 486 nm. In den Graphen 15C, 16C und 17C,
die den Astigmatismus zeigen, bezeichnet S Sagittal und M Meridional.
Wie aus Tabelle 11 hervorgeht, erfüllen das erste bis dritte Beispiel
sämtliche
Bedingungen (1) bis (7). In den Kondensoroptiken 10a des
ersten bis dritten Beispiels der zweiten Ausführungsform werden deshalb die
Aberrationen sehr gut unterdrückt.
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Wie
aus obiger Beschreibung hervorgeht, stellt die zweite Ausführungsform
der Erfindung eine Kondensoroptik bereit, die für eine konfokale Seitensicht-Optik,
bei der die dreidimensionale Abtastung durch das Schwingen der Punktlichtquelle
erzeugt wird, geeignet und in der Lage ist, verschiedene Aberrationen
in ausreichendem Maße
zu unterdrücken
und den Verlust an Lichtmenge zu reduzieren. Die mit einer solchen
Kondensoroptik ausgestattete konfokale Optik kann, selbst wenn sie
als Seitensicht-Optik ausgebildet ist, einen weiten Abtastbereich
sicherstellen, ohne vergrößert werden
zu müssen.
Durch Verwendung einer solchen konfokalen Optik kann ein integriertes
Endoskop mit einem flexiblen Rohr realisiert werden, das fast ebenso
dünn wie
das eines integrierten Direktsicht-Endoskops ist.
