DE102012200146B4

DE102012200146B4 - Umkehrsatz für ein Endoskop und Endoskop

Info

Publication number: DE102012200146B4
Application number: DE102012200146.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Schouwink; Markus Reiser
Original assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Current assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2021-09-30
Anticipated expiration: 2032-01-06
Also published as: JP2015508511A; DE102012200146A1; CN104040408B; CN104040408A; JP5934383B2; US9817227B2; US20140313578A1; WO2013102476A1

Abstract

Umkehrsatz (1, 2) für ein Endoskop mit mehreren gleichartigen Umkehrsätzen (1, 2), umfassend zwei plankonvexe Stablinsen (10, 14; 20, 25), die mit ihren planen Endflächen (1.3, 1.7; 2.3, 2.9) einander zugewandt sind, sowie einen zwischen den Stablinsen (10, 14; 20, 25) angeordneten Achromaten (11, 21), wobei der Achromat (11, 21) als Anordnung von wenigstens zwei Linsen (12, 13; 22, 23, 24) mit unterschiedlichen Brechungsindizes und Abbe-Zahlen ausgebildet und von den Stablinsen (10, 14; 20, 25) beabstandet angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Linse (12, 23) des Achromaten (11, 21) aus ED-Glas besteht ist, dessen Abbe-Zahl wenigstens 75 beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Umkehrsatz für ein Endoskop mit mehreren gleichartigen Umkehrsätzen, umfassend zwei plankonvexe Stablinsen, die mit ihren planen Endflächen einander zugewandt sind, sowie einen, insbesondere in einer zentralen Blendenebene des Umkehrsatzes, zwischen den Stablinsen angeordneten Achromaten, wobei der Achromat als Anordnung von wenigstens zwei Linsen mit unterschiedlichen Brechungsindizes und Abbe-Zahlen ausgebildet und von den Stablinsen beabstandet angeordnet ist, sowie ein entsprechendes Endoskop.
Bei den entsprechenden von der Erfindung betroffenen Endoskopen handelt es sich um starre Endoskope, die an ihrer distalen Spitze eine Öffnung mit Objektivlinsen aufweist, durch die Licht aus einem Operationsfeld in das Endoskop hineintreten kann. Endoskope weisen üblicherweise außerdem Lichtleiter oder Lichtleitfasern neben dem Stablinsensystem auf, mit denen Licht von einer Lichtquelle am proximalen Ende des Endoskops zum distalen Ende geleitet wird, um das Operationsfeld auszuleuchten. Da die Umkehrsätze und die Lichtleitfasern sich den vorhandenen Platz im Endoskop teilen, muss zur Erreichung einer maximalen Bildhelligkeit ein Kompromiss aus dem Durchmesser der Linsen der Umkehrsätze und der zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche für Lichtleiter gefunden werden.
Stablinsensysteme mit mehreren Umkehrsätzen von Stablinsen leiten das wahrgenommene Bild zum proximalen Ende des Endoskops weiter, wo es von einem Operateur durch ein Okular oder mittels eines Bildsensors aufgenommen wird. Da das Bild in den Bildebenen zwischen den Umkehrsätzen jeweils invertiert bzw. um 180° gedreht wird, wird in der Regel eine ungerade Anzahl von Umkehrsätzen verwendet. Die Stablinsen werden eingesetzt, um möglichst viel des Lichtes zum Okular des Endoskops zu leiten.
Ein starres Endoskop mit beispielsweise 3, 5 oder 7 Umkehrsätzen, die ihrerseits jeweils aus mehreren Stablinsen und dazwischen liegenden weiteren Linsen besteht, hat somit eine hohe Anzahl an Grenzflächen mit sich daran anschließenden Luft- oder Vakuumspalten oder Linsen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften. Dadurch ist eine Korrektur von Abbildungsfehlern, den Aberrationen, möglich. Dazu gehören sphärische Aberration, Koma, Astigmatismus, Bildfeldwölbung, Verzeichnung und Farbfehler, die sogenannten chromatischen Aberrationen.
Chromatische Aberrationen entstehen aufgrund der Dispersion optischer Gläser, indem Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich stark abgelenkt wird. Der Brechungsindex des Glases ist keine Konstante, sondern eine wellenlängenabhängige Funktion. Die Dispersion beschreibt, vereinfacht gesagt, die Steilheit des Verlaufs des Brechungsindexes eines optischen Materials.
Durch die unterschiedlich starke Lichtbrechung unterschiedlicher Wellenlängen des Lichts ergeben sich axiale und laterale chromatische Aberrationen. Die axiale chromatische Aberration beschreibt den Effekt, dass in einem fokussierenden System der Abstand des jeweiligen Fokuspunkts von dem Linsensystem von der Wellenlänge abhängig ist. Die laterale chromatische Aberration beschreibt die Wellenlängenabhängigkeit der Vergrößerung eines Objekts in der Bildebene. Die chromatischen Aberrationen können durch Verwendung von Linsen mit unterschiedlichen Materialien teilweise kompensiert oder reduziert werden. So kann mit einem Achromaten die axiale chromatische Aberration für zwei Wellenlängen korrigiert werden. Bei apochromatischen optischen Systemen wird die axiale chromatische Aberration bei drei Wellenlängen korrigiert. Die Aberration für die nicht genau korrigierten Wellenlängen wird dabei allerdings ebenfalls verringert.
Die in den Endoskopen der Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung verwendeten Umkehrsätze weisen in den meisten Fällen zwei plankonvexe Stablinsen auf, die mit ihren planen Endflächen einander zugewandt sind. Im Spalt zwischen den Stablinsen ist ein Achromat angeordnet, also eine optische Baugruppe aus mehreren Linsen, mit denen chromatische Aberrationen wenigstens teilweise kompensiert werden. Die Achromaten setzen sich üblicherweise aus zwei oder drei Linsen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften, vor allem unterschiedlichem Brechungsindex und unterschiedlicher Abbe-Zahl, zusammen. Die Abbe-Zahl Y, die im Rahmen der vorliegenden Anmeldung aus den wellenlängenabhängigen Brechungsindizes n des Materials als $V = \frac{n_{e - 1}}{n_{F^{1}} - n_{C^{1}}}$
bestimmt wird, ist ein Maß für die Dispersion des Materials, wobei eine niedrige Abbe-Zahl für eine hohe Dispersion und eine hohe Abbe-Zahl für eine niedrige Dispersion steht. Die in Formel (1) genannten Indizes e, F' und C' stehen für die Fraunhofer-Linien e (Lichtquelle Quecksilber, Wellenlänge 546,074 nm), F' (Cadmium, 479,9914 nm) und C' (Cadmium, 643,8469 nm)
In hochwertigen optischen Systemen, wie beispielsweise Objektiven für Spiegelreflexkameras, werden zur Korrektur von chromatischen Aberrationen Linsen aus einem Glas mit besonders niedriger Dispersion verwendet. In verschiedenen Zusammenhängen werden diese Gläser, abhängig von ihrer Abbe-Zahl und vom Zusammenhang, auch als „special low dispersion glass“ (SLD-Glas), „extraordinary low dispersion glass“ (ELD-Glas), „extra-low dispersion glass“ (ED-Glas) oder „ultra-low dispersion glass“ (UL-Glas) bezeichnet.
Entsprechende Objektive mit ED-Linsen für photographische Kameras sind beispielsweise aus US 4,907,868 A US6,025,962 A oder US 6,236,522 B1 bekannt.
Im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung werden diese Gläser gemeinschaftlich als „ED-Gläser“ bezeichnet. Im Rahmen der Erfindung zu verwendende ED-Gläser haben eine Abbe-Zahl von 75 oder größer. Fluoridgläser beispielsweise haben Abbe-Zahlen von etwa 77 oder 80 oder mehr. Die Grenzen sind nicht eindeutig definiert, verschiedene Hersteller bieten verschiedene ED-Gläser mit verschiedenen Abbe-Zahlen an, die beispielsweise zwischen 77 und 95 liegen. Solche ED-Gläser haben gleichzeitig einen relativ niedrigen Brechungsindex von ca. 1,4 bis 1,6 im Vergleich zu optischen Gläsern.
Da es sich bei ED-Gläsern um Fluoridgläser und andere spezielle Gläser handelt, die gegenüber Feuchtigkeit empfindlich sind und auch in ihren mechanischen Eigenschaften deutlich spröder sind als optische Gläser, sind diese sehr schwierig zu handhaben. Außerdem sind sie vergleichsweise deutlich teurer in ihrer Herstellung und Anschaffung als optische Gläser mit niedrigeren Abbe-Zahlen. Daher weisen optische Linsensysteme, die chromatisch korrigiert sind, üblicherweise lediglich eine Linse aus einem ED-Glas auf.
Bei Endoskopen mit Stablinsenumkehrsatzsystemen gilt es ebenfalls, chromatische Aberrationen zu korrigieren. Dies geschieht mit Achromaten, die Kombinationen aus optischen Gläsern aus Kronglas mit vergleichsweise niedriger Dispersion und aus Flintglas mit vergleichsweise hoher Dispersion aufweisen. Die Abbe-Zahlen dieser Gläser sind allerdings niedriger als diejenigen von ED-Gläsern. In bekannten Endoskopen der Anmelderin wird als Achromat ein um eine zentrale Ebene spiegelsymmetrisches Triplett von Linsen verwendet, wobei eine zentrale bikonkave Linse aus Kronglas von zwei bikonvexen Linsen aus Flintglas eingefasst ist.
Da bereits jeder der drei bis sieben Umkehrsätze wenigstens vier oder fünf Linsen aufweist und noch Linsen für das Objektiv und ein Okular hinzukommen, sind solche optischen Systeme für starre Endoskope aufwendig zu rechnen und zu optimieren, da gleichzeitig viele verschiedene Parameter einzustellen und zu optimieren sind. Der Austausch beispielsweise des Materials einer einzigen Linse des optischen Systems führt im Allgemeinen zu einer starken Änderung der gesamten optischen Eigenschaften des Systems, so dass eine völlige Neuoptimierung notwendig wird.
In US 7 733 584 B2 ist ein Endoskop mit einem Objektiv und drei Umkehrsätzen beschrieben, von denen ein Umkehrsatz mit plankonkaven Stablinsen ausgerüstet ist, an deren konkaven Grenzfläche jeweils eine bikonvexe ED-Linse angekittet ist. Die übrigen Umkehrsätze enthalten keine ED-Gläser. Mit diesem Paar von Stablinsen-ED-Glas-Linsen-Kombinationen wird die chromatische Aberration des gesamten Systems korrigiert. Die beiden weiteren Umkehrsätze enthalten keine ED-Glas-Linsen und sind jeweils voneinander unterschiedlich gestaltet und somit jeweils individuell.
Dadurch, dass gemäß US 7 733 584 B2 nur drei Umkehrsätze verwendet werden, ist die bereits recht große Anzahl von Grenzflächen und Materialien, die es zu berechnen gilt, relativ klein gehalten. Für längere Endoskope mit einer größeren Anzahl von individuellen Umkehrsätzen stößt dieses Konzept an seine Grenzen.
DE 38 38 168 A1 offenbart ein weiteres optisches Bildübertragungssystem für ein starres Endoskop mit mehreren Umkehrsätzen und einer Vielzahl von Linsenkomponenten, bei dem in einem Ausführungsbeispiel zwei plankonvexe Stablinsen mit ihren planen Seiten zueinander und zu einem als Dublett ausgebildeten Achromaten ausgerichtet sind. Entsprechende Umkehrsätze mit Dubletts oder Tripletts als Achromaten in entsprechender oder ähnlicher Konfiguration sind auch aus US 5,793,539 A , aus EP 0 582 148 A1 oder aus US 2010/0014161 A1 bekannt.
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Umkehrsätze sowie ein Endoskop mit entsprechenden Umkehrsätzen zur Verfügung zu stellen, die auch bei einer größeren Anzahl von Umkehrsätzen mit einem vergleichsweise geringeren Entwicklungsaufwand verbunden sind, wobei chromatische Aberrationen sowie weitere Aberrationen des optischen Systems begrenzt werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Umkehrsatz für ein Endoskop mit mehreren gleichartigen Umkehrsätzen, umfassend zwei plankonvexe Stablinsen, die mit ihren planen Endflächen einander zugewandt sind, sowie einen, insbesondere in einer zentralen Blendenebene des Umkehrsatzes zwischen den Stablinsen angeordneten Achromaten, wobei der Achromat als Anordnung von wenigstens zwei Linsen mit unterschiedlichen Brechungsindizes und Abbe-Zahlen ausgebildet und von den Stablinsen beabstandet angeordnet ist, das dadurch weitergebildet ist, dass eine Linse des Achromaten aus ED-Glas besteht ist, dessen Abbe-Zahl wenigstens 75, insbesondere wenigstens 77, beträgt.
Dieser erfindungsgemäße Umkehrsatz beruht auf dem speziellen Design von Umkehrsätzen der Anmelderin, indem es zwei symmetrisch angeordnete gleichartige Stablinsen verwendet und zwischen die Stablinsen einen Achromaten aus zwei oder mehr Linsen anordnet. Der Achromat ist nicht mit den Stablinsen verbunden. Von diesen Umkehrsätzen werden jeweils mehrere gleichartige Umkehrsätze in einem Endoskop hintereinander verwendet. Gleichartig bedeutet in diesem Fall, dass die Wahl der Gläser, der Dimensionierung der Grenzflächen und ihrer Abstände, d.h. der Dicke der Linsen und der Abstände zwischen den Linsen, jeweils gleich ist. Durch die Gleichartigkeit der Umkehrsätze wird die Anzahl der Stellgrößen bei der Optimierung vergleichsweise klein gehalten und kann mit dem gleichen Optimierungsaufwand für 3, 5 oder 7 Umkehrsätze gerechnet werden.
Der erfindungsgemäße Umkehrsatz hat den weiteren Vorteil, dass durch die Verwendung von ED-Gläsern im Achromaten in jedem der gleichartigen Umkehrsätze im Endoskop eine sehr gute Korrektur von chromatischen Aberrationen möglich wird, da chromatische Aberrationen an mehreren Stellen im Verlauf der optischen Komponenten im Endoskop korrigiert werden und sich daher nicht stark aufbauen können. Mit dem erfindungsgemäßen Umkehrsatz sind Endoskope herstellbar, die gegenüber bekannten Endoskopen gleicher Dimensionierung eine deutlich verbesserte Bildschärfe bis zum Rand hin und ein deutlich kontrastreicheres Bild ermöglichen. Dies ermöglicht es, Endoskope mit kleinerem Durchmesser zu entwickeln, die optisch mit herkömmlichen Endoskopen größeren Durchmessers konkurrieren können. Diese Vorteile wiegen die Mehrkosten auf, die sich durch die erhöhte Anzahl von ED-Gläsern im gesamten optischen System des Endoskops ergeben.
Vorzugsweise weist oder weisen die andere Linse oder anderen Linsen des Achromaten eine Abbe-Zahl von weniger als 75 auf, wobei insbesondere die andere Linse oder anderen Linsen des Achromaten gleichzeitig einen hohen Brechungsindex und eine hohe Abbe-Zahl aufweist oder aufweisen, wobei insbesondere der Brechungsindex größer als 1,8 und die Abbe-Zahl größer als 45 ist. Die Begrenzung der Abbe-Zahl des oder der weiteren Linsen des Achromaten auf weniger als 75 bedeutet, dass es sich hierbei um Gläser handelt, die einfacher handhabbar und in der Anschaffung und Herstellung kostengünstiger sind. Mit einer unter diesen Umständen gegebenen Maximierung des Brechungsindexes und der Abbe-Zahl der weiteren Linse oder der weiteren Linsen des Achromats lässt sich die Korrektur der chromatischen Aberrationen sehr gut erreichen.
Der Achromat ist vorzugsweise als Dublett oder Triplett von Linsen ausgebildet, wobei insbesondere bei einem Verhältnis des Durchmessers der Linsen des Umkehrsatzes zur Länge des Umkehrsatzes von weniger als 0,05 der Achromat als Dublett ausgebildet ist, andernfalls als Triplett. Die Linsen des Dubletts oder des Tripletts sind dabei vorzugsweise miteinander verkittet, so dass die aneinander angrenzenden Grenzflächen der das Dublett oder Triplett bildenden Linsen die gleichen Krümmungsradien aufweisen, wobei jeweils die eine Grenzfläche konvex und die dazu passende andere Grenzfläche konkav ausgebildet ist. Unter einer Verkittung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Verklebung mit transparentem optischem Kleber bzw. optischem Zement verstanden.
Vorzugsweise ist die Linse aus ED-Glas bikonvex ausgebildet. Diese Ausbildung der ED-Glas-Linse im Achromat ergibt insbesondere in Kombination mit wenigstens einer meniskusförmigen weiteren Linse aus einem optischen Glas eine gute Korrektur chromatischer Aberrationen.
Ebenfalls vorzugsweise besteht in einem als Triplett ausgebildeten Achromaten die zentrale, insbesondere bikonvexe, Linse des Tripletts aus ED-Glas. Damit unterscheidet sich dieses Design von den herkömmlichen Triplett-Achromaten des Standarddesigns von Umkehrsätzen der Anmelderin, in denen bei Tripletts die zentrale Linse bikonkav ausgebildet ist. Das Triplett ist insbesondere vorzugsweise spiegelsymmetrisch um eine zentrale zur optischen Achse senkrechte Ebene ausgebildet, die zentral durch die zentrale Linse des Tripletts verläuft. Mit einem solchen Triplett-Design ist insbesondere der gesamte Umkehrsatz um diese zentrale Ebene spiegelsymmetrisch ausgebildet.
Gegenüber einem Dublett-Achromaten hat ein symmetrischer Triplett-Achromat den Vorteil, dass sich Aberrationen, die von einer ungeraden Potenz der Bildhöhe abhängen, minimieren. Dies sind insbesondere der Farbvergrößerungsfehler und die Verzeichnung. Aufgrund der höheren Anzahl von Linsen in einem Triplett sind allerdings auch die Kosten etwas höher als für ein Dublett. Bei Endoskopen mit geringem Durchmesser fallen die entsprechenden Aberrationen weniger ins Gewicht, so dass auch mit als Dublett ausgebildeten Achromaten sehr gute optische Resultate erzielt werden.
Ein für die Fertigung der Linsen wichtiger Faktor ist der so genannte Z-Faktor. Der Faktor berechnet sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus der Dicke und dem Durchmesser der Linse sowie den Krümmungsradien der beiden Linsenflächen mit der folgenden Gleichung, die insbesondere für konvexe Meniskuslinsen gilt: $Z = \frac{1}{2} | \frac{D_{s}}{2 \cdot (| R_{s} | + T)} - \frac{D_{1}}{2 \cdot | R_{1} |} |$
Dabei sind in Formel (2) R_s der kleinere der beiden Krümmungsradien der Linse und R_l der größere der beiden Krümmungsradien. D_S bezeichnet den äußeren Durchmesser der Linse auf der Seite der Grenzfläche mit dem kleineren Krümmungsradius und D_l den äußeren Durchmesser der Linse an der Seite der Grenzfläche mit dem größeren Krümmungsradius. Die äußeren Durchmesser unterscheiden sich üblicherweise nicht. T ist die zentrale Dicke der Linse.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass besonders gute optische Ergebnisse und Korrekturen chromatischer Aberrationen erreicht werden, wenn vorzugsweise wenigstens eine nicht aus ED-Glas bestehende Linse des Achromaten einen Z-Faktor von weniger als 0,06, insbesondere von weniger als 0,04, aufweist. Dies erleichtert dem Optik-Entwickler die Entwicklung, da er diesen Parameter eingrenzen kann.
Diese Auswahl des Z-Faktors hat außerdem die Folge, dass, im Unterschied zum Stand der Technik, die entsprechende Linse in der Herstellung nicht, wie bisher üblich, sich beim Einfassen selbst zentriert, sondern nunmehr zunächst eingefasst wird und danach aufwendig manuell zentriert wird. Die Optikdesigner hatten daher bislang den Z-Faktor bei einem Wert oberhalb von 0,06 gehalten, um bei der Herstellung der optischen Systeme die übliche Art der Einfassung mit Selbstzentrierung zu erlauben.
Bei dem erfindungsgemäßen Umkehrsatz kompensiert vorzugsweise eine durch den Achromaten des Umkehrsatzes erzielte Korrektur einer chromatischen Aberration eine durch die Linsen des Umkehrsatzes erzeugte chromatische Aberration, wobei diese Korrektur insbesondere zusätzlich auch einen Teil einer durch Objektivlinsen und/oder Okularlinsen des Endoskops erzeugten chromatischen Aberration kompensiert. Die Objektivlinsen und die Okularlinsen erzeugen jeweils eine chromatische Aberration. Bei Verwendung mehrerer erfindungsgemäßer Umkehrsätze kann die Korrektur, die auf jeden einzelnen Achromaten in jedem einzelnen Umkehrsatz entfällt, relativ gering gehalten werden, was die Anforderungen an das Design des Achromaten und der Umkehrsätze in gut beherrschbaren Grenzen hält.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Endoskop mit einer Mehrzahl von Umkehrsätzen gelöst, wobei das Instrument insbesondere ein Laparoskop oder Uroskop ist, das dadurch weitergebildet ist, dass mehrere gleiche Umkehrsätze jeweils als erfindungsgemäßer, oben beschriebener Umkehrsatz ausgebildet sind. Solche Endoskope haben auch bei kleineren Durchmessern hohen Kontrast und hohe Schärfe sowie sehr gut korrigierte, d.h. sehr kleine chromatische Aberrationen.
Vorteilhafterweise ist wenigstens ein weiterer Umkehrsatz gegenüber den anderen, insbesondere untereinander gleichartigen, Umkehrsätzen unterschiedlich ausgebildet, wobei der unterschiedlich ausgebildete Umkehrsatz seinerseits ein erfindungsgemäßer, oben beschriebener Umkehrsatz ist. Dieser wenigstens eine zusätzliche Umkehrsatz ist insbesondere ausgebildet, die durch die Linsen des Objektivs und/oder des Okulars des Endoskops hervorgerufene chromatische Aberration zu korrigieren, so dass die Achromaten der übrigen, untereinander gleichartigen, Umkehrsätze nur die chromatische Aberration des jeweils eigenen Umkehrsatzes zu korrigieren haben.
Mit dem erfindungsgemäßen Endoskop und den erfindungsgemäßen Umkehrsätzen lässt sich bei gleicher Dimensionierung des Endoskops ein deutlich höherer Kontrast und eine deutlich höhere Schärfe sowie eine deutlich stärkere Reduktion von chromatischen Aberrationen erzielen, was insbesondere für Endoskope mit kleinem Durchmesser, wie insbesondere Uroskope, von großem Vorteil ist. Damit wird der Trend unterstützt, der von Endoskopen mit relativ großem Durchmesser, beispielsweise 10 mm, hin zu Endoskopen mit kleinerem Durchmesser geht, beispielsweise zu Endoskopen mit Durchmessern von 5,4 mm oder 4,0 mm.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Umkehrsatzes mit Dublett-Achromat,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Umkehrsatzes mit Triplett-Achromat,
3 eine erläuternde Skizze bezüglich der Definition des Z-Faktors,
4a, b erläuternde Skizzen zur sphärischen Aberration,
5a, b erläuternde Skizzen zur axialen chromatischen Aberration,
6a, b erläuternde Skizzen zur lateralen chromatischen Aberration,
7a, b einen Vergleich der sphärischen Aberration, axialen und lateralen chromatischen Aberration für einen herkömmlichen Umkehrsatz mit Dublett-Achromaten ohne und mit ED-Glas,
8a, b, c sphärische, axiale chromatische und laterale chromatische Aberrationen für Dublett-Achromat-Umkehrsatz mit verschiedenen Z-Faktoren des ED-Glases sowie für einen erfindungsgemäßen Umkehrsatz mit Triplett-Achromat und
9a, b Vergleich verschiedener Aberrationen für gleichdimensionierte Umkehrsätze mit verschiedenen ED-Gläsern.

In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
In 1 ist schematisch ein erster erfindungsgemäßer Umkehrsatz 1 für ein Endoskop dargestellt. Ein typisches Endoskop enthält eine ungerade Anzahl solcher Umkehrsätze 1, beispielsweise 3, 5 oder 7. Der Umkehrsatz 1 reicht von einer ersten Bildebene 1 bis zu einer zweiten Bildebene 1, an der sich ein weiterer, insbesondere gleichartiger, Umkehrsatz oder ein Okular anschließt. Das Bild, das in der Bildebene 1 vorhanden ist, wird auf der Bildebene 1 umgekehrt dargestellt. Es handelt sich um eine Inversion, d.h. um eine Spiegelung bezüglich des Mittelpunktes, d.h. der optischen Achse.
Diese Invertierung ist gleichbedeutend mit einer Drehung um 180° um die optische Achse.
An die erste Bildebene 1 schließt sich nach einem ersten Spalt 16 eine plankonvexe Stablinse 10 an, deren konvexe Grenzfläche 1 der ersten Bildebene 1 zugewandt ist, während die plane Grenzfläche 1 einem Achromaten 11 zugewandt ist, von dem sie durch einen Spalt 16' getrennt ist. Der Achromat 11 besteht aus einem Dublett aus einer bikonvexen Linse 12 aus ED-Glas mit hoher Abbe-Zahl mit Grenzflächen 1 und 1.5, an die sich eine Meniskuslinse 13 aus optischem Glas anschließt, die in ihren Grenzflächen 1 und 1.6 als konkaver Meniskus ausgebildet ist. Die Linsen 12 und 13 sind an der gemeinsamen Grenzfläche 1 miteinander verkittet. Nach einem weiteren Spalt 16" schließt sich eine weitere plankonvexe Stablinse 14 an, deren plane Grenzfläche 1 dem Achromaten 11 zugewandt ist, während die konvexe Grenzfläche 1 der zweiten Bildebene 1 zugewandt ist, von der sie durch einen Spalt 16"' getrennt ist.
Eine beispielhafte erfindungsgemäße Dimensionierung der Linsen sowie die Auswahl der zu verwendenden Gläser für diese Anordnung ist in der Tabelle 1 für das Beispiel eines Endoskops mit einem äußeren Durchmesser von 4,0 mm gezeigt. Der Halbdurchmesser bzw. Radius der Linsen, nicht zu verwechseln mit dem Krümmungsradius der Grenzflächen, beträgt 1,329 mm, was noch Raum für Lichtleitfasern lässt, um das Operationsfeld zu beleuchten. Die Länge des Umkehrsatzes beträgt von Bildebene 1 zu Bildebene 1 insgesamt 61,801 mm. Das Verhältnis von Halbdurchmesser zu Länge des Umkehrsatzes beträgt etwa 0,043.

Die in diesem Design verwendeten Gläser können sämtlich von der Ohara GmbH bezogen werden. Es handelt sich um die Typen S-BAL35 (Brechungsindex 1,591, Abbe-Zahl 60,88), S-FPL51 (Brechungsindex 1,498, Abbe-Zahl 81,14) als ED-Glas und S-LAH55 (Brechungsindex 1,839, Abbe-Zahl 42,47) als weiteres Glas des Achromaten. Andere Hersteller bieten ebenfalls entsprechende Gläser an. Tabelle 1: Umkehrsatz Endoskop 4,0 mm

Fläche Nr.	Krümmungsradius (mm)	Dicke (mm)	Brechungsindex n	Abbe-Zahl V	Radius (mm)
1.1	∞	4,397	1,000	Luft	1,000
1.2	10,4304	22,209	1,591	60,88	1,329
1.3	∞	1,564	1,000	Luft	1,329
1.4	11,0593	3,763	1,498	81,14	1,329
1.5	-3,8006	0,767	1,839	42,47	1,329
1.6	-6,3169	2,495	1,000	Luft	1,329
1.7	∞	22,209	1,591	60,88	1,329
1.8	-10,4304	4,397	1,000	Luft	1,329
1.9	∞	N/A	1,000	Luft	1,000

Der Z-Faktor nach Formel (2) für die nicht-ED-Linse 13 mit den Grenzflächen 1 und 1.6 beträgt etwa 0,04.
In 2 ist ein alternativer erfindungsgemäßer Umkehrsatz 2 dargestellt. Dieser reicht von einer ersten Bildebene 2 bis zu einer zweiten Bildebene 2.11 und umfasst, durch Lücken 27, 27', 27" und 27"' voneinander beabstandet, zwei plankonvexe Stablinsen 20, 25, die jeweils mit ihrer konvexen Grenzfläche 2 und 2.10 den beiden Bildebenen 2 und 2.11 zugewandt sind und deren plane Grenzflächen 2 und 2.9 aufeinander zu gerichtet sind. Zwischen den beiden Stablinsen 20, 25 befindet sich ein als Triplett ausgebildeter Achromat 21, der drei Linsen, 22, 23, 24 umfasst.
Der Achromat 21 ist symmetrisch um eine zentrale Ebene 2 ausgebildet. Die beiden zueinander symmetrischen konvexkonkaven Linsen 22, 24 bestehen aus optischem Glas, die zentrale bikonvexe Linse 23 besteht aus einem ED-Glas. Die zentrale Symmetrieebene 2 bildet keine Grenzfläche.
Sowohl der Achromat 11 gemäß 1 als auch der Achromat 21 gemäß 2 besteht aus miteinander verkitteten Linsen. Es steht einem Optik-Entwickler allerdings frei, hier auch Spalten zwischen den Linsen des Achromats vorzusehen.
Der Achromat 21 aus 2 unterscheidet sich von den herkömmlichen Triplett-Achromaten bei entsprechenden Umkehrsätzen der Anmelderin nicht nur durch die Wahl des Materials, sondern auch dadurch, dass die zentrale Linse bikonvex ausgebildet ist, während die zentralen Linsen von Triplett-Achromaten bei entsprechenden Umkehrsätzen der Anmelderin bislang bikonkav sind. Entsprechend sind die beiden weiteren Linsen nach dem Stand der Technik jeweils bikonvex.
Eine beispielhafte erfindungsgemäße Dimensionierung der Linsen sowie die Auswahl der zu verwendenden Gläser für die Anordnung gemäß 2 ist in der Tabelle 2 für das Beispiel eines Laparoskops mit einem äußeren Durchmesser von 5,4 mm gezeigt. Der Halbdurchmesser der Linsen beträgt 1,277 mm, was noch Raum für Lichtleitfasern lässt, um das Operationsfeld zu beleuchten. Die Länge des Umkehrsatzes beträgt von Bildebene 2 zu Bildebene 2.11 insgesamt 46,072 mm. Das Verhältnis von Halbdurchmesser zu Länge des Umkehrsatzes beträgt etwa 0,055.

Auch die in diesem Design verwendeten Gläser sind sämtlich unter anderem von der Ohara GmbH erhältlich. Es handelt sich wiederum um die Typen S-BAL35 (Brechungsindex 1,591, Abbe-Zahl 60,88), S-FPL51 (Brechungsindex 1,498, Abbe-Zahl 81,14) als ED-Glas. Das weitere Glas des Achromaten ist allerdings vom Typ S-LAH59 (Brechungsindex 1,820, Abbe-Zahl 46,37). Tabelle 2: Umkehrsatz Laparoskop 5,4 mm

Fläche Nr.	Krümmungsradius (mm)	Dicke (mm)	Brechungsindex n	Abbe-Zahl V	Radius (mm)
2.1	∞	3,094	1,000	Luft	1,000
2.2	7,9827	16,050	1,591	60,88	1,277
2.3	∞	0,820	1,000	Luft	1,277
2.4	4,6352	1,899	1,820	46,37	1,277
2.5	2,5914	1,173	1,498	81,14	1,277
2.6	∞	1,173	1,498	81,14	1,277
2.7	-2,5914	1,899	1,820	46,37	1,277
2.8	-4,6352	0,820	1,000	Luft	1,277
2.9	∞	16,050	1,591	60,88	1,277
2.10	-7,9827	3,094	1,000	Luft	1,277
2.11	∞	N/A	1,000	Luft	1,000

In 3 ist eine konvexkonkave Linse dargestellt, beispielsweise die Linse 13 aus 1, zusammen mit Definitionen für die Bemaßungen, die für die Berechnung des Z-Faktors nach Formel (2) von Bedeutung sind. Die Linse 13 umfasst zwei optische Grenzflächen, die insbesondere sphärisch ausgebildet sind. Diese haben Krümmungsradien R1 bzw. R2. Für die Berechnung des Z-Faktors nach Formel (2) ist der größere Krümmungsradius R_l und der kleinere Krümmungsradius R_s.
Die in 3 dargestellte Linse 13 weist einen einheitlichen äußeren Durchmesser D auf. In Einzelfällen kann sich der äußere Durchmesser an den beiden Seiten der Linse jedoch unterscheiden. Daher wird für die Formel ein Durchmesser D1 für die Seite mit dem Krümmungsradius R1 angenommen und ein äußerer Durchmesser D2 für die Seite mit dem Krümmungsradius R2. In Bezug auf die oben angegebene Formel (2) zur Berechnung des Z-Faktors ist derjenige Durchmesser mit D_s gekennzeichnet, der zu der Seite mit dem kleineren Krümmungsradius gehört, während der äußere Durchmesser D_l derjenige ist, der bezogen ist auf die Seite mit dem größeren Krümmungsradius. Außerdem ist die zentrale Dicke der Linse 13 entlang der optischen Achse mit T bezeichnet.
In den folgenden 4 bis 6 werden kurz einige Prinzipien chromatischer und anderer Aberrationen skizziert und erläutert.
In 4a) ist ein Strahlenbündel, das von einem Punkt auf einer optischen Achse einer Sammellinse 35 ausgeht, dargestellt, die in einer Blende 36 eingefasst ist. Ein Lichtstrahl 37 verläuft durch die optische Achse gemäß Blendenhöhe 0. Zwei Lichtstrahlen 37' verlaufen durch Blendenhöhe 0,5 der Sammellinse 35 und zwei weitere Lichtstrahlen 37" verlaufen durch die äußerste Kante der Sammellinse 35 bei Blendenhöhe 1.
Die sphärische Aberration einer solchen Linse drückt sich darin aus, dass im Bereich nahe der optischen Achse die entsprechenden Lichtstrahlen in einem Bildpunkt 38 bei einem bestimmten Abstand von der Linse 35 gebündelt werden. Lichtstrahlen 37", die weiter außen, also bei größerer Blendenhöhe, durch die Sammellinse 35 treten, werden stärker gebeugt und kreuzen die optische Achse in einem Punkt vor dem Bildpunkt 38. Hierbei wird in 4a davon ausgegangen, dass die entsprechenden Lichtstrahlen 37 bis 37" monochromatisch und von der gleichen Wellenlänge sind. Diese sphärische Aberrationen führt dazu, dass ein Objektpunkt nicht über die gesamte Fläche der Sammellinse 35 in der gleichen Bildebene bzw. dem gleichen Bildpunkt 38 abgebildet wird, so dass aus einem Bildpunkt in der Ebene, die den Bildpunkt 38 umfasst, ein Fleck mit einer bestimmten Größe wird. Dieser Effekt verringert die Schärfe des Bildes und kann beispielsweise durch Verkleinerung der Blende verbessert werden, was allerdings die Lichtausbeute und die erreichbare Auflösung schmälert.
In 4b) ist das so genannte „Spherochroma“ (Abkürzung als „SA/CA“ für die sphärische Aberration „SA“ und die axiale chromatische Aberration „CA“) dargestellt, nämlich der Verlauf des Abstandes des Bildpunkts vom paraxialen Bildpunkt in Abhängigkeit von Blendenhöhe und von Wellenlänge des Lichts. Für jede einzelne Wellenlänge ergibt sich ein eigener Verlauf der sphärischen Aberration. Die in 4b) gezeigten Verläufe entsprechen nicht denen für eine einzelne Linse wie in 4a) gezeigt, sondern für einen beispielhaften Umkehrsatz.
Auf der X-Achse des in 4b) dargestellten Spherochromas ist die Abweichung vom paraxialen Bildpunkt für eine Referenzwellenlänge dargestellt auf der Y-Achse die Blendenhöhe, die von 0 bis 1 verläuft, entsprechend der Blendenhöhe, die in 4a dargestellt ist. Die einzelnen Kurven entsprechen den Verläufen für verschiedene Wellenlängen.
Es wird im Folgenden kurz die einzelne Kurve 39 für eine einzelne Wellenlänge herausgegriffen, an der beispielhaft dieser Verlauf gezeigt ist. Für diese Wellenlänge ist der Bildpunkt bei Blendenhöhe 0 etwa um 0,06 mm vom paraxialen Bildpunkt entfernt. Bei zunehmender Blendenhöhe nimmt dieser Abstand ab und verkehrt sich oberhalb von etwa 0,5 ins Negative, um oberhalb von etwa 0,9 wiederum ins Positive zu wechseln. Insgesamt ist daher für diese Wellenlänge die sphärische Aberration recht gut korrigiert. Die beiden lang bzw. kurz gestrichelten Kurven auf der rechten Seite bei positiven Werten auf der X-Achse entsprechen Wellenlängen, die im blauen bzw. im roten Bereich sind und entsprechend stärkere Abweichungen des Bildpunkts vom paraxialen Bildpunkt für die optimierte Wellenlänge aufweisen.
In 5a) ist eine ähnliche Situation wie in 4a) dargestellt, allerdings werden in diesem Fall polychromatische Lichtstrahlen 41, 42 bei voller Blendenhöhe und bei geringer Blendenhöhe gezeigt. Nach dem Durchtritt durch die Sammellinse 35 wird durch die Dispersion des Materials bedingt der jeweilige Lichtstrahl 41, 42 spektral aufgeweitet. Dies geschieht am deutlichsten bei großer Blendenhöhe, wobei die daraus resultierenden Strahlen 43, 43', 43" in dieser Reihenfolge rotes Licht, grünes Licht und blaues Licht repräsentieren, wobei blaues Licht am stärksten abgelenkt wird. Dementsprechend werden diese verschiedenen Wellenlängen an verschiedenen Positionen entlang der optischen Achse fokussiert. Für den Lichtstrahl 42, der bei einer geringeren Blendenhöhe durch die Sammellinse 35 tritt, ist die entsprechende dispersive Aufweitung weniger stark.
In 5b) ist der gleiche Graph gezeigt wie in 4b), allerdings ist hierbei das Augenmerk auf die verschiedenen Wellenlängen gerichtet. So sind die Graphen 46 bis 46"" die Graphen der sphärischen Aberrationen, also der Differenz zwischen Bildpunkt und paraxialem Bildpunkt in Abhängigkeit von der Blendenhöhe für verschiedene Wellenlängen. Die entsprechenden Wellenlängen entsprechen dabei den üblicherweise benutzten Fraunhofer-Linien. Es ist erkennbar, dass beispielsweise die Linie 46 für blaues Licht einen recht großen Abstand zum paraxialen Bildpunkt aufweist. Tendenziell wird bei hohen Werten der Blendenhöhe für alle Wellenlängen eine positive Differenz zum paraxialen Bildpunkt beobachtet.
Bei der in 5 gezeigten chromatischen Aberration handelt es sich um eine axiale chromatische Aberration, da die Objektpunkte jeweils auf der optischen Achse des Linsensystems angeordnet sind.
In 6 wird der Effekt der lateralen chromatischen Aberration skizziert. In 6a) ist eine Sammellinse 35 dargestellt, auf die ein polychromatisches paralleles Lichtbündel 51 schräg einfällt, d.h. unter einem Winkel zur optischen Achse der Linse. Aufgrund der Dispersion des Glasmaterials werden verschiedene Wellenlängen wiederum verschieden stark abgelenkt, so dass sich für die Farben Blau, Grün und Rot verschiedene Lichtbündel 52, 53 und 54 ergeben und entsprechend verschiedene Bildpunkte bzw. Fokuspunkte 52', 53', 54' bei verschiedenen Bildhöhen. Dies bedeutet, dass ein Objekt im blauen Bereich stärker vergrößert (oder weniger verkleinert) erscheint als im roten Bereich. Dieser Effekt verstärkt sich mit zunehmender Bildhöhe und verschwindet im Falle eines axial auftreffenden Lichtbündels vollständig.
Entsprechend ist in 6b) die laterale chromatische Aberration („CC“) in Abhängigkeit der Bildhöhe aufgetragen. Der senkrechte dicke Strich entspricht der Bildhöhe, die von 0, also zentral, bis 1 verläuft, also dem Rand der Bildebene. Mit den Bezugszeichen 56, 57 und 58 sind die Graphen dargestellt, die die Abweichung zur Abbildung der Referenzwellenlänge für zentrale Lichtstrahlen, für Lichtstrahlen bei halber Bildhöhe und für Lichtstrahlen bei ganzer Bildhöhe darstellen. Diese Abweichung ist in diesem Fall in einem Koordinatensystem auf der X-Achse von -0,01 bis 0,01 dargestellt, wobei für die Verdeutlichung diese Koordinatensysteme um 90° gedreht worden sind.
Die Y-Achse, die in 6b) waagerecht liegt, stellt ihrerseits wiederum die Bildhöhe dar. Entsprechend ist zu erkennen, dass im Fall 56 bei Bildhöhe 0 die chromatische laterale Aberration verschwindet. Bei halber Bildhöhe im Falle des Bezugszeichens 57 ist die wellenlängenabhängige laterale chromatische Aberration bereits deutlich ausgeprägt und vergrößert sich im Falle des Bezugszeichens 58 bei voller Bildhöhe noch weiter.
Die chromatischen Aberrationen, die in den 4 bis 6 dargestellt sind, sind bei der Entwicklung eines Umkehrsatzes für ein Endoskop zu minimieren, wobei die in 6 dargestellten Aberrationen bei symmetrischen Achromaten nicht auftreten. Gleichzeitig sind auch andere Aberrationen zu korrigieren, wie sphärische Aberration, Koma, Astigmatismus, Bildfeldwölbung und gegebenenfalls Verzeichnung und Verzerrung der Abbildung.
In 7a) und 7b) werden die in den 4 bis 6 vorgestellten Graphenbündel für das Spherochroma und die laterale chromatische Aberration bei Verwendung von Umkehrsätzen mit jeweils einem als Dublett entsprechend 1 ausgebildeten Achromaten dargestellt und miteinander verglichen. Ein wesentlicher Unterschied liegt darin, dass bei dem Achromaten gemäß 7a) kein ED-Glas enthalten ist und in 7b) ein ED-Glas im Dublett des Achromaten verwendet worden ist.
Es ist deutlich, dass das Graphenbündel im jeweils linken System, das die Spherochroma beschreibt, im Falle der 7b) mit Verwendung von ED-Glas deutlich stärker gebündelt ist und die Abweichungen vom Nullpunkt auf der X-Achse deutlich geringer geworden sind. Dies stellt eine signifikante Verbesserung des Spherochromas gegenüber dem bekannten Stand der Technik dar. Gleichzeitig ist auch die laterale chromatische Aberration auf einen Bruchteil des zuvor erreichbaren Wertes gesunken.
Unterhalb der Koordinatensysteme sind jeweils die Legenden für die Wellenlängen der Fraunhofer-Linien, die in den Graphen dargestellt sind, angegeben. Diese Wellenlängen sind in Nanometer angegeben.
Das in 7a) dargestellte System entspricht einem standardmäßigen Uroskop der Anmelderin mit einem Durchmesser von 4,0 mm mit fünf herkömmlichen Umkehrsätzen. Das in 7b) dargestellte System basiert auf diesem bekannten System, wobei jedoch das ED-Glas S-FPL53 der Ohara GmbH mit einer Abbe-Zahl von 95,0 verwendet wurde und das System entsprechend vorläufig optimiert wurde.
In 8a) bis 8c) werden Spherochroma und laterale chromatische Aberration bei Verwendung für drei verschiedene Umkehrsätze miteinander verglichen.
Den 8a) und 8b) liegen Endoskope mit einem Durchmesser von 4,0 mm und fünf Umkehrsätzen mit Dublett-Achromaten zugrunde. Im Dublett wird jeweils als ED-Glas das Material FCD1 von Hoya verwendet, das in seine optischen Eigenschaften mit S-FPL51 von Ohara GmbH vergleichbar ist. Das nicht-ED-Glas ist in diesem Fall S-LAM52 von Ohara GmbH (Brechzahl 1,720, Abbe-Zahl 43,7). Die Systeme gemäß 8a) und 8b) unterscheiden sich im Z-Faktor der nicht-ED-Glas-Linse, der in dem System gemäß 8a) 0,06 beträgt und in 8b) 0,037. Durch die Verringerung des Z-Faktors ergibt sich eine deutliche Verbesserung des Spherochroma und der lateralen chromatischen Aberration. Dies geht einher mit der Notwendigkeit einer angepassten Einfassung und Zentrierung bei der Fertigung der entsprechenden nicht-ED-Glas-Linse.
In 8c) sind die Graphen für Spherochroma („SA/CA“) und laterale chromatische Aberrationen („CC“) für ein Laparoskop mit 5,4 mm Durchmesser und einen Triplett-Achromaten mit zentraler ED-Glas-Linse gezeigt. Mit diesem System ist eine sehr gute Korrektur der axialen chromatischen Aberration erreichbar, was daran zu sehen ist, dass sich die Linien des Spherochroma-Diagramms für die verschiedenen Wellenlängen sehr aneinander angenähert haben. Es handelt sich somit um eine vergleichsweise kleine, beinahe wellenlängenunabhängige sphärische Aberration, die sich innerhalb eines akzeptablen Bereichs bewegt. Auch die laterale chromatische Aberration im rechten Diagramm ist sehr gering und differiert nur bei Bildhöhen oberhalb von etwa 0,6 überhaupt von 0. Das ED-Material in Triplett gemäß 8c ist S-FPL51 von Ohara.
Die in den 7 und 8 gezeigten Diagramme sind jeweils für Systeme mit fünf Umkehrsätzen und Eintrittsoptiken und Austrittsoptiken gerechnet.
Die Modulationstransferfunktion, die die Auflösung des optischen Systems in radialer und tangentialer Richtung in Abhängigkeit von der Bildhöhe in der Einheit für 80 Linienpaare/mm (Ip/mm) angibt, ist für die in 8a) und 8b) gezeigten optischen Systeme wie folgt (Werte jeweils radial/tangential angegeben), wobei die bei Berücksichtigung der Bildfeldwölbung erreichbaren optimalen Werte angegeben sind: Tabelle 3: MTF (80 Ip/mm) für Dublett-Achromaten mit unterschiedlichem Z-Faktor

Bildhöhe 0,0 0,5 0,8 0,9 1,0

8a) 57.2/57.2 54.6/50.0 56.1/39.6 57.0/35.2 57.9/28.7

8b) 60.0/60.0 57.8/57.7 59.7/56.2 59.1/54.9 58.2/51.9
Die Verbesserung der MTF bei kleinem Z-Faktor ist in Tabelle 3 insbesondere für tangentiale Strukturen im Randbereich offensichtlich.
Bei einer Änderung des Designs eines Umkehrsatzes für ein Endoskop, wie dies den Gegenüberstellungen in 7 und 8 zugrunde liegt, stellt den Startpunkt meist ein vorhandenes System dar, das dem neuen geplanten System ähnlich ist, beispielsweise ein Vorgängermodell. Die neuen Vorgaben an das neue System werden entsprechend geändert, beispielsweise wird der Linsendurchmesser erhöht oder verkleinert oder, wie im Fall von ED-Glas, das Glasmaterial ausgetauscht. Dies hat zur Folge, dass sich die Abbildungsqualität dramatisch ändert, wie dies in 9 dargestellt ist.
Es wird nachfolgend eine erste vorläufige Optimierung durchgeführt, mit der Parameter, wie Vergrößerung und Bildlage, sphärische Aberration, Astigmatismus usw. in akzeptable Bereiche gebracht werden. Da sich die verschiedenen Abbildungsfehler größtenteils gegenläufig verhalten, wird anschließend versucht, einen guten Kompromiss zu finden. Beispielsweise wird zunächst versucht, die sphärische Aberration zu verringern. Wenn dann festgestellt wird, dass dabei beispielsweise der laterale chromatische Fehler in inakzeptabler Weise zunimmt, wird dieser in der Optimierungsfunktion wieder stärker gewichtet. Wenn dann beispielsweise die axiale chromatische Aberration zunimmt, wird diese wiederum stärker gewichtet.
Zwischen diesen Schritten nimmt der Optikdesigner immer wieder Einfluss auf die Optimierung, indem er beispielsweise die variablen Parameter wählt oder blockiert oder manuell bestimmte Werte verändert, um das System in eine bestimmte Richtung zu bewegen.
In einem abschließenden Prozess verändert der Optikdesigner auch gegebenenfalls von Hand Radien oder Dicken, um noch die letzten Verbesserungen herauszuarbeiten.
Bis ein optimaler Kompromiss gefunden wird, sind je nach Komplexität, qualitativem Anspruch und der Problematik mit der Produzierbarkeit dutzende bis hunderte Iterationsschritte und mehrere Wochen der Entwicklungsarbeit notwendig.
Zur Verdeutlichung dieser Aufgabe ist in 9a), 9b) ein Vergleich dargestellt, bei dem ein identisch dimensionierter Umkehrsatz mit Dublett-Achromat mit zwei verschiedenen ED-Gläsern ausgestattet ist, nämlich in 9a) mit S-FPL51 von Ohara und in 9b) mit S-FPL53 von Ohara. Die Abbe-Zahl verändert sich dabei von 81,6 zu 95,0 und der Brechungsindex von 1,495 nach 1,437. Das System war für das Material S-FPL51 gerechnet und optimiert worden.
Der Vergleich mit dem gleichen System mit dem einen unterschiedlichen Material zeigt, dass sämtliche Abbildungseigenschaften, einschließlich chromatischer Aberration, sphärischer Aberration und weiteren Eigenschaften wie Koma oder Bildfeldwölbung durch diese eine Änderung aus dem Ruder laufen. Dies veranschaulicht, dass die Auswahl der Glassorten sehr sorgfältig getroffen werden muss und mit einer Neujustierung des Umkehrsatzes einhergehen muss.
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein.
Bezugszeichenliste

1, 2: Umkehrsatz
1.1 - 1.9: Bild- und Grenzflächen des Umkehrsatzes 1
2.1 - 2.11: Bild- und Grenzflächen des Umkehrsatzes 2
10: plankonvexe Stablinse
11: Dublett-Achromat
12: Linse aus ED-Glas
13: Linse aus optischem Glas
14: plankonvexe Stablinse
15: Bildebene
16 - 16'": Spalt
17: Bildebene
18: zentrales Strahlenbündel
19: peripheres Strahlenbündel
20: plankonvexe Stablinse
21: Triplett-Achromat
22: Linse aus optischem Glas
23: Linse aus ED-Glas
24: Linse aus optischem Glas
25: plankonvexe Stablinse
26: Bildebene
27 - 27'": Spalt
28: Bildebene
29: Blendenebene
30: zentrales Strahlenbündel
31: peripheres Strahlenbündel
35: Sammellinse
36: Blende
37 - 37": Lichtstrahl
38: Bildpunkt
39: Graph der Aberration für eine Wellenlänge
41, 42: polychromatischer Lichtstrahl
43: rotes Licht
43': grünes Licht
43": blaues Licht
44: rotes Licht
44': blaues Licht
45: Verteilung der wellen- und Blendenpositionsabhängigen Fokuspunkte
46 - 46"": Graph der Aberration für eine Wellenlänge
51: schräg einfallendes Lichtbündel
52: gebündeltes rotes Licht
52': Fokuspunkt des roten Lichts
53: gebündeltes grünes Licht
53': Fokuspunkt des grünen Lichts
54: gebündeltes blaues Licht
54': Fokuspunkt des blauen Lichts
55: Bildebene
56: Abweichung zur Abbildung der Referenzwellenlänge für zentrale Lichtstrahlen
57: Abweichung zur Abbildung der Referenzwellenlänge für Lichtstrahlen bei halber Bildhöhe
58: Abweichung zur Abbildung der Referenzwellenlänge für Lichtstrahlen bei ganzer Bildhöhe
D: äußerer Durchmesser
D1: Durchmesser auf erster Seite
D2: Durchmesser auf zweiter Seite
R1: Krümmungsradius auf erster Seite
R2: Krümmungsradius auf zweiter Seite
T: Dicke der Linse
SA: sphärische Aberration
CA: chromatische Aberration
MTF: Modulationstransferfunktion

Claims

Umkehrsatz (1, 2) für ein Endoskop mit mehreren gleichartigen Umkehrsätzen (1, 2), umfassend zwei plankonvexe Stablinsen (10, 14; 20, 25), die mit ihren planen Endflächen (1.3, 1.7; 2.3, 2.9) einander zugewandt sind, sowie einen zwischen den Stablinsen (10, 14; 20, 25) angeordneten Achromaten (11, 21), wobei der Achromat (11, 21) als Anordnung von wenigstens zwei Linsen (12, 13; 22, 23, 24) mit unterschiedlichen Brechungsindizes und Abbe-Zahlen ausgebildet und von den Stablinsen (10, 14; 20, 25) beabstandet angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Linse (12, 23) des Achromaten (11, 21) aus ED-Glas besteht ist, dessen Abbe-Zahl wenigstens 75 beträgt.
Umkehrsatz (1, 2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Achromat (11, 21) in einer zentralen Blendenebene (2.6) des Umkehrsatzes (1, 2) angeordnet ist.
Umkehrsatz (1, 2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Linse (13) oder anderen Linsen (22, 24) des Achromaten (11, 21) eine Abbe-Zahl von weniger als 75 aufweist oder aufweisen.
Umkehrsatz (1, 2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Linse (13) oder anderen Linsen (22, 24) des Achromaten (11, 21) gleichzeitig einen hohen Brechungsindex und eine hohe Abbe-Zahl aufweist oder aufweisen, wobei insbesondere der Brechungsindex größer als 1,8 und die Abbe-Zahl größer als 45 ist.
Umkehrsatz (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Achromat (11, 21) als Dublett (11) oder Triplett (21) von Linsen (12, 13; 22, 23, 24) ausgebildet ist.
Umkehrsatz (1, 2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Verhältnis des Durchmessers der Linsen (10 - 14; 20 - 25) des Umkehrsatzes (1, 2) zur Länge des Umkehrsatzes (1, 2) von weniger als 0,05 der Achromat (11, 21) als Dublett ausgebildet ist, andernfalls als Triplett.
Umkehrsatz (1, 2) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (12) aus ED-Glas bikonvex ausgebildet ist.
Umkehrsatz (1, 2) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem als Triplett ausgebildeten Achromaten (21) die zentrale Linse (23) des Tripletts aus ED-Glas besteht.
Umkehrsatz (1, 2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem als Triplett ausgebildeten Achromaten (21) der Umkehrsatz (1, 2) spiegelsymmetrisch um eine zentrale Ebene (2.6), die durch die zentrale Linse (23) des Achromaten (21) verläuft, ausgebildet ist.
Umkehrsatz (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine nicht aus ED-Glas bestehende Linse (13, 23) des Achromaten (11, 21) einen Z-Faktor von weniger als 0,06, insbesondere von weniger als 0,04, aufweist.
Umkehrsatz (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch den Achromaten (11, 21) des Umkehrsatzes (1, 2) erzielte Korrektur einer chromatischen Aberration eine durch die Linsen (10 - 14; 21 - 25) des Umkehrsatzes (1, 2) erzeugte chromatische Aberration kompensiert.
Umkehrsatz (1, 2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur zusätzlich auch einen Teil einer durch Objektivlinsen und/oder Okularlinsen des Endoskops erzeugte chromatische Aberration kompensiert.
Endoskop mit einer Mehrzahl von Umkehrsätzen (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleiche Umkehrsätze (1, 2) jeweils als Umkehrsatz (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet sind.
Endoskop nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Laparoskop oder Uroskop ist.
Endoskop nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiterer Umkehrsatz gegenüber den anderen Umkehrsätzen unterschiedlich ausgebildet ist, wobei der unterschiedlich ausgebildete Umkehrsatz ein Umkehrsatz (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ist.