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Die
Erfindung betrifft eine Endoskopoptik mit einem Objektiv, das in
einer Zwischenbildebene ein Zwischenbild eines abzubildenden Objekts
erzeugt, sowie mit einem dem Objektiv nachgeordneten Leitsystem,
das mehrere, hintereinander angeordnete Umkehrsysteme zum Weiterleiten
des Zwischenbildes umfaßt.
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Eine
solche Endoskopoptik wird z. B. in einem Endoskop für minimalinvasive
Eingriffe eingesetzt, um das Operationsgebiet darzustellen. Dabei kann
das mittels dem Leitsystem weitergeleitete Bild auf ein Videosystem
abgebildet oder über
ein Okular direkt betrachtet werden.
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Es
besteht ein Bedarf an der Verbesserung der Abbildung, um das Operationsgebiet
genauer darstellen zu können.
Insbesondere die Einführung hochauflösender Kameras
(HDTV) führt
zunehmend zu einer Nachfrage nach besseren Optiken.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Endoskopoptik der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, daß ihre Abbildungseigenschaften
verbessert sind.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei einer Endoskopoptik der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen
der Zwischenbildebene und dem Leitsystem ein Optikmodul angeordnet
ist, das den Durchmesser des durch das Optikmodul verlaufenden Strahlenbündels verringert
und seine Divergenz erhöht.
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Es
hat sich überraschender
Weise gezeigt, daß sich
ein derartiges Strahlenbündel,
dessen Durchmesser bei Austritt aus dem Optikmodul kleiner und dessen
Divergenz größer ist
als beim Eintritt in das Optikmodul verlustfreier durch die Umkehrsysteme
des Leitsystems führen
läßt. Damit
wird die Transmission und Auflösung
des Optiksystems insgesamt erhöht,
so daß verbesserte
Abbildungseigenschaften vorliegen.
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Insbesondere
kann das Optikmodul noch so entworfen bzw. ausgelegt werden, daß es einen durch
die Umkehrsysteme bedingten Abbildungsfehler zumindest teilweise
kompensiert. Bevorzugt wird die Bildfeldwölbung und/oder die Vignettierung
verringert. Es können
also zusätzliche
Korrekturen durchgeführt
werden, die die Abbildungsqualität
weiter erhöhen.
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Das
Optikmodul kann aus einer einzigen Linse bestehen, die insbesondere
als Konvex-Konkav-Linse
ausgebildet ist. Es muß somit
nur ein einziges zusätzliches
Optikelement vorgesehen werden, so daß bei geringfügig höheren Kosten
eine deutlich bessere Abbildung ermöglicht werden kann.
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Das
Optikmodul ist insbesondere näher
an der Zwischenbildebene als am Leitsystem angeordnet. Neben der
Anordnung mit einem Abstand vom Leitsystem kann das Optikmodul auch
direkt mit dem Leitsystem in Kontakt stehen (die entsprechenden Grenzflächen können miteinander
verkittet sein).
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Das
Optikmodul kann positive oder negative Brechkraft aufweisen.
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Insbesondere
kann das Optikmodul den Strahlenbündeldurchmesser derart verringern,
daß er
kleiner ist als in der Zwischenbildebene. Der Verkleinerungsfaktor
kann im Bereich von 1,2 bis 2 liegen.
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Ferner
kann ein dem Leitsystem nachgeordnetes, weiteres Optikmodul vorgesehen
sein, das den Durchmesser des in das weitere Optikmodul eintretenden
Strahlenbündels
erweitert und seine Divergenz verringert. Damit weist das Strahlenbündel, wenn
es auf das weitere Optikmodul trifft, einen kleineren Durchmesser
und eine größere Divergenz
auf im Vergleich zu dem Strahlenbündel, das das weitere Optikmodul
verläßt. In dieser
Weise kann insbesondere die Änderung
des Durchmessers des Strahlenbündels
und die Änderung
der Divergenz des Strahlenbündels,
die vom dem Leitsystem vorgeordneten Optikmodul durchgeführt werden,
wieder aufgehoben werden.
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Das
weitere Optikmodul kann aus einer einzigen Linse bestehen, die bevorzugt
eine Konkav-Konvex-Linse
ist.
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Das
weitere Optikmodul kann so ausgebildet sein, daß es einen durch die Umkehrsysteme
bedingten Abbildungsfehler (beispielsweise Bildfeldwölbung, Vignettierung)
zumindest teilweise kompensiert. Damit wird eine weitere Verbesserung
der Abbildungsqualität
erreicht.
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Das
weitere Optikmodul kann vom Leitsystem beabstandet oder auch direkt
mit diesem verbunden sein (z.B. verkittet).
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Die
beiden Optikmodule können
gleich ausgebildet sein. Damit wird die Anzahl von unterschiedlichen
Optikelementen, die herzustellen sind, verringert.
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Insbesondere
ist es möglich,
wenn die beiden Optikmodule gleich ausgebildet sind, daß sie zu einer
Achse senkrecht zur optischen Achse der Endoskopoptik symmetrisch
angeordnet sind.
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Die
Optikmodule können
natürlich
auch unterschiedlich ausgebildet sein und mehr als eine Linse enthalten.
Die Linsenflächen
der Optikmodule können
plane, sphärische
oder asphärische
Flächen sein.
Es können
auch GRIN-Linsen (Linsen mit variierendem Brechungsindex) eingesetzt
werden.
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Die
Umkehrsysteme können
jeweils aus zwei Plankonvex-Stäben
und einem dazwischen angeordneten Tripletstab ausgebildet sein,
wobei die plane Seite der Plankonvex-Stäbe jeweils zum Tripletstab
weist. Aufgrund des bzw. der Optikmodule ist ein derart einfacher
Aufbau der Umkehrsysteme möglich.
Insbesondere können
Abbildungsfehler der Umkehrsysteme akzeptiert werden, wenn sie durch die
Optikmodule kompensiert werden.
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Die
beiden Plankonvex-Stäbe
können
bis auf ihre Länge
identisch ausgebildet sein.
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Insbesondere
kann zwischen zwei Umkehrsystemen eine Abschattungsblende angeordnet
werden, deren Blendenöffnung
dem Strahlenbündeldurchmesser
an dieser Stelle entspricht bzw. geringfügig größer ist. Mit einer solchen
Abschaltungsblende wird Streulicht effektiv unterdrückt.
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Die
Abschattungsblende kann aus mehreren, hintereinander angeordneten
Teilblenden mit abnehmender Größe der Blendenöffnung ausgebildet sein.
Dies führt
zu einer noch effektiveren Streulichtunterdrückung.
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Dem
zweiten Optikmodul kann ein Okular und/oder ein Bildsensor nachgeordnet
sein. Insbesondere kann der Bildsensor auch in Kontakt mit dem zweiten
Optikmodul stehen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beispielshalber noch näher
erläutert,
wobei auch in den Zeichnungen erfindungswesentliche Merkmale offenbart
sind. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Linsenschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Endoskopoptik;
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
von 1, der das Objektiv, das erste Optikmodul sowie den
ersten Teil des Leitsystems 3 umfaßt;
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3 die
Modulationsübertragungsfunktion der
Endoskopoptik gemäß 1;
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4 die
Modulationsübertragungsfunktion einer
herkömmlichen
Endoskopoptik;
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5 eine
Darstellung des Fehlers der Bildfeldwölbung für die Endoskopoptik gemäß 1;
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6 eine 5 entsprechende
Darstellung für
eine herkömmliche
Endoskopoptik, und
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7 eine
Ausführungsform
der Blende zwischen zwei Umkehrsystemen.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt die Endoskopoptik
ein Objektiv 1, ein erstes Optikmodul 2, ein Lichtleitsystem 3,
ein zweites Optikmodul 4 sowie eine Okularoptik 5,
die in dieser Reihenfolge hintereinander angeordnet sind, wobei
der Durchmesser dieser Optikelemente hier 2,7 mm beträgt.
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Das
Leitsystem 3 umfaßt
drei Umkehrsysteme 6, die alle gleich ausgebildet sind
und von denen zur Vereinfachung der Darstellung nur eines komplett dargestellt
ist, das zweite und dritte Umkehrsystem 6 sind nur teilweise
dargestellt.
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Jedes
Umkehrsystem 6 umfaßt
drei hintereinander angeordnete Stäbe 7, 8, 9,
wobei die beiden äußeren Stäbe 7 und 9 jeweils
eine konvexe Endseite 10, 11 und eine plane Endseite 12, 13 aufweisen. Die
planen Endseiten 12 und 13 sind einander zugewandt,
wobei dazwischen der zweite Stab 8 angeordnet ist, der
zwei konvexe Endseiten 14, 15 aufweist. Der zweite
Stab 8 ist aus einem Mittelabschnitt 16 mit zwei
konkaven Grenzflächen
sowie zwei mit den konkaven Grenzflächen verkitteten Endabschnitten 17, 18 ausgebildet
die ihrerseits jeweils zwei konvexe Grenzflächen umfassen. Die den konkaven
Grenzflächen
des Mittelabschnitts 16 abgewandten konvexen Seiten der
Endabschnitte 17, 18 bilden die konvexen Enden 14, 15 des
zweiten Stabs 8.
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Die
Stäbe 7, 8 und 9 sind
voneinander beabstandet und sind so ausgelegt, daß das durch
die Stäbe 7 bis 9 aufgebaute
Umkehrsystem 6 ein Bild, das eingangsseitig vorliegt (also
links vom Umkehrsystem 6 in 1), so weiterleitet,
daß es
ausgangsseitig (also rechts vom Umkehrsystem in 1)
um 180° gedreht
abgebildet wird. So leitet beispielsweise das in 1 vollständig gezeigte
Umkehrsystem ein in einer ersten Zwischenbildebene Z1 vom Objektiv 1 erzeugte
Bild eines zu untersuchenden Objektes in eine dem Umkehrsystem 6 nachgeordnete
zweite Zwischenbildebene Z2. In dieser Art wird das Bild mehrmals
durch die Umkehrsysteme 6 umgedreht und weitergeleitet,
so daß es
schließlich
vom Anwender über
das Okular 5 vergrößert wahrgenommen oder
mittels einem dem Okular 5 nachgeordneten Bildereinheit 19 erfaßt werden
kann. Die Bildeinheit 19 weist eine Abbildungsoptik sowie
einen Bildsensor (z.B. CCD-, CMO S-Sensor) auf, die in 1 nicht
im Detail dargestellt sind.
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Die
Stäbe 7, 9 sind
aus einem Material mit einem Brechwert n im Bereich von 1,5 und
1,6 und einer Abbe-Zahl νd im Bereich von 60 bis 68 gebildet. Das
Material der Endabschnitte 17, 18 weist einen Brechwert
n von 1,55 bis 1,65 und eine Abbe-Zahl νd von
60 bis 68 auf, und für
das Material des Mittelabschnittes 16 liegt der Brechwert
n im Bereich von 1,7 bis 1,8 und die Abbe-Zahl νd im Bereich von 45 bis 55.
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Um
den Kontrast und die Helligkeit des über das Okular 5 wahrnehmbaren
Bildes zu erhöhen,
ist, wie insbesondere 2 entnommen werden kann, das
erste Optikmodul 2 zwischen der Zwischenbildebene Z1 und
dem Leitsystem 3 angeordnet. Das erste Optikmodul 2,
das hier als Konvex-Konkav-Linse ausgebildet ist, bewirkt eine Verringerung
des Durchmessers des Strahlenbündels,
so daß das
in das Optikmodul 2 einfallende Strahlenbündel einen
größeren Durchmesser
D1 aufweist als das aus dem Optikmodul 2 ausfallende Strahlenbündel mit
dem Strahldurchmesser D2. Gleichzeitig erhöht das Optikmodul 2 die
Divergenz des Strahlenbündels.
Es hat sich gezeigt, daß durch
diese Maßnahme
das Strahlenbündel
derart verlustfreier durch die Umkehrsysteme 6 geleitet
werden kann, daß eine
Erhöhung
der Bildhelligkeit und des Bildkontrastes vorliegt.
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Ausgangsseitig
des Leitsystems 3 bewirkt das zweite Optikmodul 4 (1)
eine Vergrößerung des
Strahldurchmessers bei gleichzeitiger Verringerung der Strahldivergenz.
In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist das zweite Optikmodul eine Konkav-Konvex-Linse, die identisch
ausgebildet ist zu der Linse des ersten Optikmoduls 2.
Sie ist lediglich derart umgedreht angeordnet, daß die konkave Seite
zum Leitsystem 3 und die konvexe Seite zum Okular 5 weist.
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Der
Brechwert n des Linsenmaterials für die Linsen der Optikmodule 2, 4 liegt
im Bereich von n = 1,6 bis 1,9 und die Abbe-Zahl νd liegt
im Bereich von 35 bis 45.
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Das
Leitsystem 3 ist somit zwischen den beiden Optikmodulen 2 und 4 angeordnet,
die den Strahldurchmesser vor dem Einkoppeln verringern und die
Strahldivergenz erhöhen
und nach dem Auskoppeln den Strahldurchmesser erhöhen und
die Strahldivergenz verringern. Dies führt zu einer erhöhten Transmission
und Auflösung
des gesamten Optiksystems.
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In 3 ist
die Modulationsübertragungsfunktion
der Endoskopoptik gemäß 1 dargestellt, wobei
entlang der x-Achse die Ortsfrequenz in Perioden pro mm und entlang
der y-Achse der Modulationsübertragungsfaktor
aufgetragen ist. Es sind in 3 die tangentiale
(gestrichelte Linie) und saggitale (Strichpunktlinie) Komponente
T, S für
einen halben Bildwinkel von 52,5° eingezeichnet.
Zum Vergleich ist als durchgezogene Linie die beugungsbegrenzte
(und somit optimale) Komponente TD dargestellt.
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In 4 ist
zum Vergleich die Modulationsübertragungsfunktion
einer herkömmlichen
Endoskopoptik in gleicher Weise wie in 3 dargestellt.
Der Vergleich zwischen 4 und 3 zeigt
deutlich die Verbesserung der optischen Übertragungsfunktion und somit
des Kontrastes und der Auflösung
der erfindungsgemäßen Endoskopoptik.
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Ferner
ist das erste Optikmodul 2 noch so ausgebildet, daß es einen
durch das Leitsystem 3 bedingten Abbildungsfehler zumindest
teilweise kompensiert. Das gleiche gilt für das zweite Optikmodul 4. Insbesondere
ist hier mit den Optikmodulen 2, 4 die Bildfeldwölbung verringert.
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In 5 ist
jeweils der saggitale und tangentiale Anteil für drei verschiedene Wellenlängen dargestellt,
wobei entlang der x-Achse in mm der radiale Abstand vom Mittelpunkt
bzw. von der optischen Achse der Endoskopoptik und entlang der y-Achse
die auf 1 normierte Bildhöhe
aufgetragen ist. Die saggitale Komponente ist jeweils mit S und
einem Index von 1 bis 3 bezeichnet, wobei der Index 1 für eine Wellenlänge von
486 nm, der Index 2 für
eine Wellenlänge
von 588 nm und der Index 3 für
eine Wellenlänge
von 656 nm steht. In gleicher Weise ist die tangentiale Komponente
mit einem T und dem entsprechenden Index gekennzeichnet. Ein Vergleich
der Bildwölbung
von 5 für
die vorliegende Endoskopoptik mit der entsprechenden Darstellung
für eine
herkömmliche
Endoskopoptik (also ohne die Optikmodule 2 und 4)
in 6 zeigt deutlich die erreichte Verbesserung bei
der Bildfeldwölbung.
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Ferner
tragen die Optikmodule noch dazu bei, daß die Vignettierung deutlich
verringert wird.
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Insgesamt
läßt sich
mittels den Optikmodulen 2, 4 eine deutliche Verbesserung
der Abbildungseigenschaften erreichen.
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Die
Krümmungsradien
und Abstände
der optischen Grenzflächen
der Optikmodule 2, 4 sowie des Leitsystems gemäß dem Aufbau
von 1 kann der Fachmann in Abhängigkeit des verwendeten Objektivs 1 und
der vorgegebenen optischen Anforderungen (z. B. Bildfeldgröße) beispielsweise
unter Verwendung eines entsprechenden Optikprogramms leicht ermitteln,
da ihm die Abfolge der Grenzflächen gemäß 1 bekannt
ist.
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Zusätzlich enthält die Endoskopoptik,
wie in 1 gezeigt ist, eine Abschattungsblende 20 zwischen
zwei Umkehrsystemen 6. Die Abschattungsblende 20 ist
bevorzugt in der entsprechenden Zwischenbildebene (hier Z2) zwischen
den beiden Umkehrsystemen 6 oder nahe an der Zwischenbildebene
angeordnet. Insbesondere ist die Blende 20 näher an der
Zwischenbildebene als an den entsprechenden Endflächen der
benachbarten Umkehrsysteme 6.
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Die
Blendenöffnung
ist so gewählt,
daß das Zwischenbild
nicht abgeschnitten wird. Mittels der Blende 20 wird eine
Streulichtunterdrückung
erreicht, die zu einer verbesserten Abbildungseigenschaft der Endoskopoptik
führt.
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Die
Blendenöffnung
der Blende 20 kann geringfügig größer als das Zwischenbild sein.
Darunter wird hier insbesondere verstanden, daß die Blendenöffnung um
maximal 10% oder um maximal 5% größer ist als das Zwischenbild.
Durch diese geringfügig größere Ausbildung
der Blendenöffnung
als das Zwischenbild läßt sich
das Endoskop sogar noch etwas verbiegen, ohne daß es zu einer Verschlechterung der
Abbildungseigenschaften kommt.
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Die
Endoskopoptik kann eine einzige Blende 20 oder mehrere
Blenden 20 in den entsprechenden Zwischenbildebenen zwischen
den Umkehrsystemen 6 aufweisen.
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Insbesondere
kann die Blende 20 so ausgebildet sein, daß sie aus
mehreren, hintereinander angeordneten Teilblenden 21, 22, 23 (7)
besteht, deren Blendenöffnung
abnimmt. Es liegt somit, im Querschnitt gesehen, eine treppenförmig ausgebildete
Blendenstruktur vor, die eine ausgezeichnete Streulichtunterdrückung aufweist.
Die Blendenoberfläche
kann insbesondere matt schwarz sein.
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Es
ist möglich,
daß Okular 5 wegzulassen und
das zweite Optikmodul 4 derart auszubilden, daß der Bildsensor 19 direkt
im Anschluß an
das zweite Optikmodul 4 angeordnet werden kann. In diesem Fall
ist das zweite Optikmodul 4 bevorzugt verschieden zum ersten
Optikmodul 2 ausgebildet.
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Die
Endoskopoptik wird insbesondere in einem Endoskop bzw. in einem
medizinischen Endoskop eingesetzt, so daß in diesem Fall ein Endoskop mit
verbesserten Abbildungseigenschaften vorliegt.