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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Endoskopobjektiv nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Endoskop mit einem derartigen Endoskopobjektiv.
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Endoskope werden heute für eine Vielzahl von Anwendungen in Medizin und Technik verwendet. Ein Endoskop umfasst typischerweise einen starren, halbstarren oder flexiblen lang erstreckten Schaft, der zur Einführung in einen Hohlraum geeignet ist. Im distalen (d.h. beobachterfernen) Endbereich des Schafts ist zur Erzeugung eines Bildes eines Objektfelds in dem Hohlraum ein Endoskopobjektiv angeordnet, das mindestens eine Linse umfasst. Zur Aufnahme des vom Endoskopobjektiv erzeugten Bildes des Objektfelds kann ein elektronischer Bildaufnehmer, beispielsweise ein CCD-Chip, im Bereich des distalen Endes des Schafts angeordnet sein, insbesondere in einer Bildebene des Endoskopobjektivs. Über innerhalb des Schafts angeordnete elektrische Leitungen kann das vom elektronischen Bildaufnehmer aufgenommene Bild zum proximalen (d.h. beobachternahen) Ende des Schafts übertragen werden und von einer am proximalen Ende des Endoskops angeordneten oder anschließbaren Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung ausgewertet, auf einem Bildschirm für einen Beobachter dargestellt und/oder beispielsweise für Dokumentationszwecke gespeichert werden. Das endoskopische Bild kann aber auch über einen innerhalb des Schafts angeordneten Bildweiterleiter zu einem im Bereich des proximalen Endes des Endoskops vorgesehenen elektronischen Bildaufnehmer oder zu einem Okular weitergeleitet werden. Der Bildweiterleiter kann durch ein geordnetes Glasfaserbündel (Bildleiter) oder, bei einem starren Endoskop, durch hintereinander angeordnete Relaislinsensysteme gebildet werden Da der Regel in dem beobachteten Hohlraum nicht ausreichend Licht vorhanden ist, ist ferner innerhalb des Schafts ein aus Lichtleitfasern bestehendes Lichtleitsystem angeordnet, um ausreichend Licht an das distale Ende des Endoskops zu transportieren, wo es zur Beleuchtung des Hohlraums genutzt wird. Zur Einleitung des Beleuchtungslichts in das Endoskop ist oft in der Nähe des proximalen Endes ein Anschluss zum Anschließen eines Lichtleitkabels vorhanden, mit dem das Beleuchtungslicht von einer separaten Lichtquelle zugeführt werden kann. Ferner können im Schaft Kanäle zur Durchführung von Arbeitsinstrumenten zum distalen Ende des Endoskops verlaufen.
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Der Bauraum im distalen Endbereich eines Endoskops ist eng begrenzt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass einerseits eine möglichst große Lichteintrittsfläche zur Aufnahme des vom zu beobachtenden Objektfeld zurückgeworfenen Lichts und ebenso ein möglichst großer Durchmesser der im Endoskopobjektiv enthaltenen Linsen erwünscht sind, um ein möglichst helles endoskopisches Bild zu erzielen. Andererseits ist der maximal zulässige Außendurchmesser des Endoskopschafts in der Regel durch die vorgesehene Anwendung begrenzt, d.h. etwa durch die Größe einer Körperöffnung oder durch die lichte Weite einer Öffnung in einem technischen Gegenstand, durch die das Endoskop in einen Hohlraum eingeführt werden soll. Ferner benötigen auch die Lichtleitfasern des Lichtleitsystems Bauraum, wobei eine höhere Anzahl von Lichtleitfasern in der Regel eine bessere Ausleuchtung des Hohlraums bzw. des Objektfelds ermöglicht. Schließlich können auch weitere Bauelemente, wie etwa bis zum distalen Ende verlaufende Arbeits- oder Spülkanäle, den verfügbaren Raum einschränken.
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Im Bereich des distalen Endes des Endoskops werden die Lichtleitfasern des Lichtleitsystems häufig aus einer axialen Richtung abgewinkelt geführt, um bestimmte Winkelbereiche des zu beobachtenden Hohlraums auszuleuchten. Für eine derartige abgewinkelte Anordnung der Lichtleitfasern sowie ggf. für weitere Bauelemente ist zusätzlicher Bauraum im Bereich des distalen Endes des Endoskops erforderlich.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Endoskopobjektiv anzugeben, das die Bereitstellung zusätzlichen Bauraums im distalen Endbereich eines Endoskops ermöglicht, wobei das aufgenommene endoskopische Bild nicht oder möglichst wenig beeinträchtigt werden soll, sowie ein Endoskop mit einem derartigen Endoskopobjektiv.
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Diese Aufgabe wird durch ein Endoskopobjektiv gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Endoskop gemäß Anspruch 7 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein erfindungsgemäßes Endoskopobjektiv ist zur Anordnung im distalen Endbereich eines starren, halbstarren oder flexiblen Endoskops, insbesondere am distalen Ende eines Schafts des Endoskops, und zur Erzeugung eines Bilds eines endoskopisch beobachteten Objektfelds in einer Bildebene des Endoskopobjektivs ausgebildet. Hierfür weist das Endoskopobjektiv mindestens eine erste Linse auf, die, gegebenenfalls im Zusammenwirken mit weiteren Linsen, das vom Endoskopobjektiv aufgenommene Licht des Objektfelds in der Bildebene abbildet. Im Strahlengang des Endoskopobjektivs ist die Bildebene des Endoskopobjektivs somit der mindestens einen ersten Linse nachgeordnet. Der Begriff „Linse“ bezeichnet in der vorliegenden Anmeldung eine Einzellinse oder ein aus mehreren miteinander verkitteten Einzellinsen bestehendes Linsensystem, etwa ein Dublett oder ein Triplett. Das Endoskopobjektiv kann weitere optische Elemente umfassen, beispielsweise eine oder mehrere Planplatten und gegebenenfalls weitere Linsen, sowie weitere Bauelemente, wie etwa Abstandshalter und eine Hülse, in die die Linsen und Abstandshalter eingesetzt sind. Insbesondere kann an einem distalen Ende des Endoskopobjektivs ein als planparallele Platte ausgebildetes Deckglas vorgesehen sein, das ein Eintrittsfenster für den Lichteintritt vom beobachteten Objektfeld darstellt. Das Endoskopobjektiv kann als mechanische Einheit bzw. als vormontierte Baugruppe ausgebildet sein, die zumindest abschnittsweise in den Schaft des Endoskops eingebaut werden kann.
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Erfindungsgemäß nimmt die mindestens eine erste Linse in einer Linsenebene eine Kreisfläche ein, bei der mindestens ein Kreissegment (Kreisabschnitt) ausgespart ist. Dies bedeutet, dass eine Schnittfläche der Linse in der Linsenebene oder eine Projektion der Linse auf die Linsenebene eine Kreisfläche bildet, bei der mindestens eine Kreissegmentfläche fehlt. Eine solche Form wird im Folgenden als „absegmentiert“ bezeichnet. Die mindestens eine erste Linse kann somit einen Umfang bzw. einen radial äußeren Rand aufweisen, der zum Teil durch einen oder mehrere im Wesentlichen kreisbogenförmige Abschnitte und zum Teil durch einen oder mehrere im Wesentlichen gerade Abschnitte, die die Sehnen des mindestens einen ausgesparten Kreissegments darstellen, gebildet wird. Die mindestens eine erste Linse kann insbesondere eine Umfangsfläche aufweisen, die die Mantelfläche eines geraden Zylinders ist, dessen Grundfläche eine Kreisfläche ist, bei der mindestens eine Kreissegmentfläche ausgespart ist; hierdurch entsteht eine Umfangsfläche mit mindestens einer axial durchgehenden Abflachung. Eine in der Linsenebene gemessene Breite der mindestens einen ersten Linse ist daher kleiner als der Durchmesser der genannten Kreisfläche und kann kleiner als eine in der Linsenebene senkrecht zur Breite gemessene Höhe der Linse sein. Die Linsenebene ist insbesondere eine Mittelebene oder eine Hauptebene der mindestens einen Linse oder eine hierzu parallele Ebene. Die Linsenebene kann senkrecht zu einer Längsachse des Endoskopobjektivs angeordnet sein. Das Endoskopobjektiv kann mehrere derartige absegmentierte Linsen umfassen, die insbesondere im Strahlengang aufeinander folgend angeordnet sind.
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Dadurch, dass die mindestens eine erste Linse kreisförmig bzw. kreiszylindrisch ausgebildet ist, wobei jedoch mindestens ein Kreissegment ausgespart ist, wird es ermöglicht, im Bereich des distalen Endes eines Endoskops mit vorgegebenem Außendurchmesser zusätzlichen Bauraum zu schaffen, ohne dass die Helligkeit des aufgenommenen endoskopischen Bildes wesentlich reduziert wird. Insbesondere kann hierdurch bei einem Endoskop, bei dem ein rechteckförmiger Bereich einer Bildebene zur Aufnahme des endoskopischen Bilds genutzt wird, ein zusätzlicher Bauraum im distalen Endbereich des Schafts des Endoskops geschaffen werden, ohne dass die Helligkeit des aufgenommenen endoskopischen Bilds wesentlich reduziert ist und ohne dass eine erkennbare Vignettierung eintritt. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass beispielsweise solche Bereiche einer ansonsten kreisförmig begrenzten Linse, die den nicht genutzten Bereichen einer Bildebene entsprechen, in der ein rechteckförmiger elektronischer Bildsensor angeordnet ist, in vorteilhafter Weise als zusätzlicher Bauraum genutzt werden können, etwa für eine verbesserte Anordnung der Lichtleitfasern oder für zusätzliche Lichtleitfasern. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, die Ausleuchtung des Objektfelds zu verbessern und/oder weitere Bauelemente im distalen Endbereich eines Endoskops anzuordnen, ohne die Qualität des aufgenommenen endoskopischen Bilds wesentlich zu beeinträchtigen. Ein erfindungsgemäßes Endoskopobjektiv ist in vorteilhafter Weise insbesondere in einem Endoskop mit einem rechteckigen, drehfest zum Endoskopobjektiv angeordneten elektronischen Bildsensor einsetzbar.
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Vorzugsweise umfasst das Endoskopobjektiv mindestens eine zweite Linse, die der mindestens einen ersten Linse in einem Strahlengang des Endoskopobjektivs vorangehend angeordnet ist. Insbesondere sind die mindestens eine erste Linse und die mindestens eine zweite Linse entlang einer optischen Achse des Endoskopobjektivs angeordnet, wobei die mindestens eine zweite Linse distalseitig der mindestens einen ersten Linse angeordnet ist. Die mindestens eine zweite Linse kann in ähnlicher Weise wie die mindestens eine erste Linse absegmentiert sein oder einen kreisförmigen Umfang bzw. eine kreiszylinderförmige Randfläche aufweisen. Das Endoskopobjektiv kann mehrere zweite Linsen umfassen, die der mindestens einen ersten Linse vorangehend angeordnet sind. Die mindestens eine erste Linse, die absegmentiert ist, ist näher als die mindestens eine zweite Linse an der Bildebene des Endoskopobjektivs angeordnet, insbesondere ist die mindestens eine absegmentierte Linse die der Bildebene am nächsten liegende Linse des Objektivs. Hierdurch wird die Schaffung eines zusätzlichen Bauraums bei größtmöglicher Beibehaltung der Abbildungsqualität des Endoskopobjektivs ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine zweite Linse eine Negativlinse, d.h. eine Linse mit negativer Brechkraft, die einen kreisförmigen Umfang bzw. eine kreiszylindrische Umfangsfläche hat, wobei der Durchmesser des Umfangskreises im Wesentlichen einer Breite der mindestens einen ersten Linse gleich ist und somit kleiner ist als der Durchmesser der von der mindestens einen ersten Linse in der Linsenebene eingenommenen Kreisfläche. Insbesondere sind die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Linse jeweils zentriert auf der optischen Achse des Endoskopobjektivs angeordnet und die mindestens eine erste Linse weist einen Umfang in Form eines Kreises auf, bei dem auf einander gegenüberliegenden Seiten jeweils ein gleich großes Segment ausgespart ist, wobei die die ausgesparten Segmente definierenden Sehnen parallel zueinander sind. Die Breite der ersten Linse ist somit durch den Abstand der beiden Sehnen bzw. den Abstand der entsprechenden Flächen, die seitliche Abflachungen der Linse bilden, gegeben. Da der Strahlengang in der Negativlinse in der Regel derart verläuft, dass die Außenbereiche einer Negativlinse, die den selben Durchmesser hätte wie der Umfangskreis der mindestens einen ersten Linse, nicht genutzt würden, kann auf diese Weise ein Endoskopobjektiv geschaffen werden, bei dem in besonders großem Maße zusätzlicher Bauraum geschaffen werden kann, ohne dass die Qualität der Abbildung wesentlich beeinträchtigt wird, insbesondere ohne dass die Helligkeit des aufgenommenen endoskopischen Bildes wesentlich reduziert wird.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass im Strahlengang des Endoskopobjektivs der Negativlinse vorangehend ein planparalleles Deckglas angeordnet ist, das das Endoskopobjektiv distalseitig abschließt und das einen kreisförmigen Umfang aufweist bzw. kreiszylindrisch ausgebildet ist, wobei der Durchmesser des Deckglases mindestens gleich dem der Negativlinse ist. Vorzugsweise ist der Durchmesser des Deckglases größer als der der Negativlinse. Ein derart aufgebautes Endoskopobjektiv weist insbesondere in dieser Reihenfolge, entlang der optischen Achse und im Strahlengang des Endoskopobjektivs angeordnet, ein Deckglas mit einer kreiszylinderförmigen Umfangsfläche, eine Negativlinse mit einer ebenfalls kreiszylinderförmigen Umfangsfläche, jedoch geringfügig reduziertem Durchmesser und eine oder mehrere absegmentierte Linsen auf, wobei die eine oder mehreren absegmentierten Linsen auf jeweils einander gegenüberliegenden Seiten gleich große und gleich geformte kreissegmentförmige ausgesparte Flächen bzw. Abflachungen aufweisen und wobei die hierdurch definierte Breite der absegmentierten Linsen etwa dem Durchmesser der Negativlinse entspricht. Hierdurch wird ein Endoskopobjektiv geschaffen, das in besonders hohem Maße einen zusätzlichen Bauraum zur Verfügung stellt, ohne dass die Helligkeit des erzeugten endoskopischen Bilds wesentlich beeinträchtigt ist und wobei das Endoskopobjektiv bzw. ein mit diesem versehenes Endoskop durch das Deckglas in distaler Richtung abgeschlossen ist. Sofern in einer Bildebene ein rechteckförmiger Bildsensor vorgesehen ist, kann mit einem derart ausgebildeten Endoskopobjektiv ein endoskopisches Bild mit im Wesentlichen unbeeinträchtigter Helligkeit und ohne erkennbare Vignettierung aufgenommen werden.
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Weiterhin umfasst das Endoskopobjektiv in vorteilhafter Weise einen oder mehrere Abstandshalter, die jeweils als Ring mit kreisbogenförmigen und geraden Abschnitten ausgebildet sind und dadurch im Wesentlichen dem Umfang der mindestens einen ersten Linse entsprechen. Das Endoskopobjektiv kann in weiter vorteilhafter Weise eine als im Wesentlichen rohrförmige Hülse ausgebildete Fassung aufweisen, die in ihrem Querschnitt hinsichtlich Form und Innenraum zumindest abschnittsweise an den Umfang der absegmentierten mindestens einen ersten Linse angepasst ist, so dass diese darin eingeschoben und gehalten werden kann. Insbesondere weist die Hülse zumindest abschnittsweise mindestens eine seitliche Abflachung auf. Zwischen dem Deckglas und einer kreisförmig oder kreiszylindrisch ausgebildeten Linse sowie zwischen kreisförmig bzw. kreiszylindrisch ausgebildeten Linsen können darüber hinaus kreisringförmige Abstandshalter vorgesehen sein, ebenso wie die Fassung insbesondere in Abschnitten, in denen kreisförmige oder kreiszylindrische Linsen aufgenommen sind, einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen kann. Hierdurch wird eine einfache Montage und eine sichere Fixierung der Linsen und anderen optischen Elemente des Endoskopobjektivs ermöglicht.
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Ein erfindungsgemäßes Endoskop umfasst ein wie oben beschrieben ausgebildetes Endoskopobjektiv. Dieses ist im distalen Endbereich des Endoskopschafts aufgenommen, wobei ggf. ein Deckglas des Endoskopobjektivs einen distalen Abschluss des Endoskops darstellen kann. Ein derartiges Endoskop weist insbesondere Lichtleitfasern zur Weiterleitung von Beleuchtungslicht vom proximalen Endbereich des Endoskops zum distalen Endbereich auf, wo diese in einer oder mehreren Endflächen enden, durch die das Beleuchtungslicht in Richtung zum zu beobachtenden Objektfeld austritt. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Endoskops wird es ermöglicht, eine besonders hohe Anzahl von Lichtleitfasern mit einer besonders großen Lichtaustrittsfläche vorzusehen und/oder zumindest einen Teil der Lichtleitfasern in einer solchen Anordnung zu führen, die für eine gleichmäßige und helle Ausleuchtung des Objektfelds optimiert ist. Weiterhin kann der durch die beschriebene Ausbildung des Endoskopobjektivs verfügbar gemachte Bauraum für weitere Bauelemente, wie etwa für endoskopische Arbeitskanäle, genutzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Endoskop einen elektronischen Bildsensor auf, der eine rechteckförmige lichtempfindliche Fläche mit einer langen und einer kurzen Kante hat und der relativ zum Endoskopobjektiv drehfest angeordnet ist oder drehfest angeordnet werden kann. Insbesondere ist der elektronische Bildsensor drehfest innerhalb des Endoskops angeordnet oder drehfest mit diesem verbunden oder verbindbar. Weiterhin ist die mindestens eine erste Linse derart ausgebildet und angeordnet, dass eine Sehne, durch die das mindestens eine ausgesparte Kreissegment definiert wird, entsprechend der langen Kante des elektronischen Bildsensors verläuft. Insbesondere ist die Sehne parallel zu der langen Kante angeordnet. Sofern der elektronische Bildsensor eine quadratische lichtempfindliche Fläche aufweist, kann jede der Seiten der quadratischen Fläche als lange Kante angesehen werden. Auf diese Weise kann ein Endoskop geschaffen werden, bei dem ein zusätzlicher Bauraum im distalen Endbereich für die Führung der Lichtleitfasern und ggf. für weitere Bauelemente zur Verfügung steht, ohne dass die Helligkeit des aufgenommenen endoskopischen Bilds wesentlich beeinträchtigt ist oder eine Vignettierung auftritt.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass bei der mindestens einen ersten Linse an zwei einander gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Kreissegment ausgespart ist, d.h. dass die mindestens eine Linse beidseitig absegmentiert ist, so dass die Form der von der mindestens einen Linse eingenommenen Fläche in der Linsenebene zumindest näherungsweise dem Format des Bildssensors entspricht. Bei einem rechteckig ausgebildeten Bildsensor können zusätzlich entsprechend den Schmalseiten weitere ausgesparte Kreissegmente vorgesehen sein, so dass die mindestens eine Linse auch einen im Wesentlichen rechteckigen Umfang bzw. die Umfangsfläche der mindestens einen ersten Linse die Form einer rechteckigen Säule haben kann. Hierdurch kann in besonders hohem Maße zusätzlicher Bauraum für die Führung der Lichtleitfasern bzw. für weitere Bauelemente im Bereich des distalen Endes des Endoskops geschaffen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der elektronische Bildsensor in der Bildebene des Endoskopobjektivs angeordnet. Eine derartige Anordnung des Bildsensors in einem distalen Endbereichs des Endoskops ermöglicht beispielsweise die Schaffung eines flexiblen Endoskops, wobei der Bildsensor über innerhalb des flexiblen Schafts des Endoskops verlaufende elektrische Leitungen mit dem proximalen Endbereich des Endoskops und einer dort angeordneten Auswertungs- und Anzeigeeinrichtung verbunden sein kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der elektronische Bildsensor im proximalen Endbereich des Endoskops angeordnet, wobei das in der ersten Bildebene erzeugte endoskopische Bild durch ein oder mehrere Relaislinsensysteme zum Bildsensor übertragen wird. Hierdurch kann bei einem starren Endoskop insbesondere der Vorteil erzielt werden, dass ein Bildsensor mit einem Format, das größer als die Querschnittsfläche des Schafts ist, eingesetzt werden kann und hierdurch eine besonders hohe Bildqualität erzielbar ist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Endoskop eine Mehrzahl von Lichtleitfasern zur Weiterleitung von Beleuchtungslicht vom proximalen zum distalen Ende des Endoskops auf, von denen zumindest einige in ihrem jeweiligen distalen Endbereich abgewinkelt zu einer Längsachse des Endoskops, d.h. des Schafts des Endoskops, verlaufen und wobei der distale Endabschnitt der zumindest einigen Lichtleitfasern im Bereich des mindestens einen ausgesparten Kreissegments angeordnet ist. Insbesondere sind eine Mehrzahl von Lichtleitfasern zumindest in ihrem distalen Endabschnitt zu einem oder mehreren Strängen von Lichtleitfasern zusammengefasst, und mindestens ein Strang von Lichtleitfasern ist in seinem distalen Endabschnitt im Bereich des mindestens einen ausgesparten Kreissegments bzw. der entsprechenden Abflachung in einem Winkel zur Längsachse des Endoskops geführt. Zumindest ein Teil der Lichtleitfasern bzw. der Stränge von Lichtleitfasern verläuft somit schräg oder quer zur Längsachse des Endoskops, wobei der durch die Absegmentierung der mindestens einen ersten Linse geschaffene zusätzliche Bauraum zur Verlegung der Lichtleitfasern bzw. der Stränge von Lichtleitfasern in außeraxialer Richtung genutzt wird. Hierdurch ist insbesondere bei einer Schräg- oder Seitblickoptik bei gegebenem Durchmesser des Endoskopschafts eine verbesserte Anordnung der Lichtleitfasern und dadurch eine verbesserte Ausleuchtung des zu beobachtenden Objektfelds erzielbar, ohne die Qualität der endoskopischen Abbildung wesentlich zu beeinträchtigen. Da die Lichtleitfasern in einem weiteren Abschnitt in axialer Richtung verlaufen, kann der Bauraum auch dazu genutzt werden, die abgewinkelten Lichtleitfasern mit einem ausreichend großen Biegeradius zu führen, um einen Bruch der Lichtleitfasern sicher zu verhindern.
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Vorzugsweise verlaufen die zumindest einigen Lichtleitfasern in ihrem jeweiligen distalen Endabschnitt bzw. mindestens einer der Stränge von Lichtleitfasern in seinem distalen Endabschnitt im Wesentlichen geradlinig in einer schräg oder quer zur Längsachse des Endoskops stehenden Richtung. In besonders vorteilhafter Weise münden die zumindest einigen Lichtleitfasern zumindest näherungsweise senkrecht in eine Austrittsfläche ein, von der das Beleuchtungslicht in Richtung auf das Objektfeld austritt, und sind in dieser Fläche plan abgeschliffen; die betreffenden Lichtleitfasern bzw. der mindestens eine Strang von Lichtleitfasern verläuft in diesem Fall in einem distalen Endabschnitt näherungsweise senkrecht zur Austrittsfläche. Hierdurch ist eine besonders helle und gleichmäßige Ausleuchtung eines außeraxialen Bereichs des Objektfelds erzielbar. Eine durch das mindestens eine ausgesparte Kreissegment der mindestens einen ersten Linse geschaffene Abflachung kann dabei für die abschnittsweise geradlinige Verlegung der Lichtleitfasern in einer zur Längsachse des Endoskops schräg oder quer verlaufenden Richtung genutzt werden.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der beigefügten Zeichnung. Es zeigen:
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1a und 1b den distalen Endbereich eines Endoskops mit einem Endoskopobjektiv gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2a und 2b das Endoskopobjektiv des in 1 dargestellten Endoskops in zwei unterschiedlichen Ansichten;
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3 das Endoskopobjektiv gemäß 1, 2a und 2b mit den darin enthaltenen optischen Bauelementen in einer Explosionsdarstellung;
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4 einen Bildsensor und eine Linse eines Endoskopobjektivs in schematischer Form.
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In 1a und 1b ist ein distaler Endbereich eines Endoskops 1 gezeigt, in dessen distalen Endbereich ein erfindungsgemäßes Endoskopobjektiv eingebaut ist. In 1a ist ein Teil des zylindrischen Außenschafts 2 des Endoskops 1 geöffnet dargestellt, um den für die Führung von Lichtleitfasern verfügbaren Bauraum zu zeigen; die Lichtleitfasern sind dabei nicht dargestellt. In 1b ist der Verlauf der Lichtleitfasern in ihrem distalseitigen Endbereich angedeutet.
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Das Endoskop
1 ist nach Art einer Schrägblickoptik ausgebildet, wobei die Blickrichtung schräg zu einer Längsachse des Endoskops
1, d.h. zur Mittellängsachse des zylindrischen Außenschafts
2, gerichtet ist. Entsprechend ist das durch das Deckglas
3 gebildete Eintrittsfenster ebenfalls schräg zu der Längsachse des Außenschafts
2 gestellt. Um ein zu beobachtendes Objektfeld optimal auszuleuchten, sind im distalen Endbereich des Endoskops
1 eine Mehrzahl von Lichtaustrittsflächen
4,
5,
5‘,
6,
6‘,
7 angeordnet, die das Eintrittsfenster bzw. das Deckglas
3 umgeben und symmetrisch zu einer durch die Blickrichtung und die Längsachse des Außenschafts
2 gebildeten Ebene angeordnet sind. Die Lichtaustrittsflächen könnten aber auch wie in der Druckschrift
DE 10 2009 025 659 A1 beschrieben oder auch anderweitig unsymmetrisch angeordnet sein, was durch die vorliegende Erfindung ebenso umfasst ist. In jede der Lichtaustrittsflächen
4,
5,
5‘,
6,
6‘,
7 münden eine Mehrzahl an Lichtleitfasern, die durch den Zwischenraum
8 zwischen dem Außenschaft
2 und einem Innenschaft
9 aus proximaler Richtung herangeführt sind (in
1a nicht dargestellt). Der Innenschaft
9 umfasst einen distalen Endabschnitt
10 und einen proximalen Abschnitt
11. Der proximale Abschnitt
11 hat eine zylindrische Form, während der distale Endabschnitt
10 zwei einander gegenüberliegende seitliche Abflachungen
12 aufweist. Wie unten näher erläutert wird, sind im distalen Endabschnitt
10 optische Bauelemente des Endoskopobjektivs aufgenommen, während der proximale Abschnitt
11 eine Mehrzahl von Relaislinsensystemen zur Weiterleitung des vom Endoskopobjektiv aufgenommenen endoskopischen Bilds in einen proximalen Endbereich des Endoskops
1 aufnimmt. Das Deckglas
3 schließt den Innenschaft
9 an seinem distalen Ende dicht ab.
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Die in der Darstellung der 1a untere Austrittsfläche 4 sowie die darüber, symmetrisch zu einer Längsmittelebene des Außenschafts 2 angeordneten Austrittsflächen 5, 5‘ sind nur wenig gegenüber der Längsachse des Außenschafts 2 geneigt und dienen zur Ausleuchtung eines etwa in Verlängerung der Längsachse des Außenschafts 2 gelegenen Bereichs des Objektfelds. Die ebenfalls symmetrisch angeordneten Austrittsflächen 6, 6‘ sind stärker zur Längsachse geneigt. Die Austrittsfläche 7 sowie eine in 1a nicht erkennbare, symmetrisch gegenüberliegend zu dieser angeordnete weitere Lichtaustrittsfläche dienen zur Beleuchtung eines quer zur Längsachse angeordneten Bereichs des Objektfelds. Insgesamt kann hierdurch eine Ausleuchtung eines Objektfelds in einem Bereich von mindestens etwa 0º bis 90º zur Längsachse des Außenschafts 2 erzielt werden.
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Für eine helle und gleichmäßige Ausleuchtung des Objektfelds kann es günstig sein, wenn die Lichtleitfasern senkrecht in die jeweilige Austrittsfläche einmünden und in dem hieran unmittelbar anschließenden Abschnitt geradlinig verlaufen, was in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist. Allerdings können die Lichtleitfasern auch wie in der Druckschrift
DE 10 2009 025 659 A1 beschrieben als gesamtes Faserbündel in einem gewissen Winkel vom senkrechten Einmünden abweichen. Ebenso können einzelne Fasern oder ein oder mehrere Teile des Bündels in einem gewissen Winkel vom senkrechten Einmünden abweichen. Alle und auch die in
DE 10 2009 025 659 A1 beschriebenen Varianten sind von der vorliegenden Erfindung umfasst. In ihrem distalen Endabschnitt sind die Lichtleitfasern jeweils zu Strängen zusammengefasst, wovon in
1b die in die Lichtaustrittsflächen
5,
6 und
7 einmündenden Lichtleitfaserstränge
13,
14,
15 dargestellt sind. Der Lichtleitfaserstrang
13 mündet in die im Wesentlichen in axialer Richtung gerichtete Austrittsfläche
5 und verläuft nahezu in axialer Richtung mit nur einer geringen Abwinkelung. Die in die Austrittsflächen
6,
7 einmündenden Lichtleitfaserstränge
14,
15, die zum Ausleuchten außeraxialer Bereiche des Objektfelds dienen, sind bei ihrer Einmündung in die Austrittsflächen
6,
7 stärker bzw. nahezu um 90º aus der axialen Richtung abgewinkelt angeordnet. Die Lichtleitfaserstränge
13,
14,
15 münden jeweils senkrecht in die betreffende Austrittsfläche
5,
6,
7 ein, wobei die ebenen Endflächen der Lichtleitfasern die betreffenden Austrittsflächen
5,
6,
7 bilden. In einem an die jeweilige Austrittsfläche
5,
6,
7 anschließenden Abschnitt des jeweiligen Lichtleitfaserstrangs
13,
14,
15 verläuft dieser über eine Länge von beispielsweise einigen Zehntel Millimeter oder auch über einen oder einige Millimeter geradlinig. Hierfür wird die Abflachung
12 genutzt, die den entsprechenden Bauraum und eine ebene Fläche für eine geradlinige Führung in außeraxialer Richtung zur Verfügung stellt. Weiter in proximaler Richtung verlaufen die Lichtleitfaserstränge
13,
14,
15 bzw. die betreffenden Lichtleitfasern mit einem ausreichend großen Biegeradius, um Faserbrüche zu vermeiden, und werden hierdurch in axiale Richtung überführt; die Lichtleitfasern können dabei als Strang oder vereinzelt verlegt sein und können einander auch überkreuzen (nicht dargestellt). Auch hierfür kann der durch die Abflachung
12 bereitgestellte Bauraum genutzt werden. Im weiteren Verlauf sind die Lichtleitfasern im Zwischenraum
8 verlegt (s.
1).
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In 2a und 2b ist ein Endoskopobjektiv 16 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Ansicht und in einer Draufsicht gezeigt. Das Endoskopobjektiv 16 ist in das distale Ende des in 1 gezeigten Innenschafts 9 eingebaut. Wie in 2a und 2b gezeigt, wird das kreisförmige Deckglas 3 in Strahlrichtung von einer Negativlinse 17 gefolgt, deren Umfang ebenfalls kreiszylindrisch ausgebildet ist, jedoch mit einem etwas geringeren Durchmesser als das Deckglas 3. Im Strahlengang nachfolgend ist ein Umlenkelement 18 angeordnet, das zur Umlenkung des aufgenommenen Lichts in die weiteren optischen Bauelemente, die entlang der Längsachse des Schafts bzw. des Endoskopobjektivs 16 folgen, ausgebildet ist. Dementsprechend verläuft die optische Achse des Endoskopobjektivs 16 im Bereich des Deckglases 3 und der Negativlinse 17 abgewinkelt zur optischen Achse im übrigen Bereich des Endoskopobjektivs 16, die parallel zur Längsachse des Außenschafts 2 angeordnet ist. Wie in 2a und 2b zu erkennen ist, weist das Endoskopobjektiv 16 eine als Hülse 19 ausgebildete Fassung auf, die einen distalen Abschnitt 20 mit seitlichen Abflachungen und einen zylindrischen proximalen Abschnitt 21 umfasst. Die Hülse 19 dient zum Halten der darin enthaltenen Linsen (s.u.) und zum optischen Trennen des Linsensystems von den Lichtleitfasern. Bohrungen 22 der Hülse 19 dienen zum Einbringen von Klebstoff zum Fixieren der Linsen. Die Hülse 19 kann mit den in dieser aufgenommenen optischen Bauelementen in den Innenschaft 9 des Endoskops 1 eingeschoben werden. Wie in 2b angedeutet ist, folgen in proximaler Richtung auf die Hülse 19 weitere Bauelemente, beispielsweise Stablinsen der Relaislinsensysteme des Endoskops 1, die ebenfalls in dem Innenschaft 9 aufgenommen sind (s. 1a).
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Wie in 3 in Form einer Explosionszeichnung dargestellt, sind im distalen Abschnitt 20 der Hülse 19 eine Mehrzahl von Linsen 23, 24, 25 angeordnet, wobei die Linse 24 aus zwei miteinander verkitteten Linsenelementen besteht. Die weitere Linse 25 besteht ebenfalls aus zwei miteinander verkitteten Linsenelementen und ist an das Umlenkelement 18 angesetzt. Die Linsen 23, 24, 25 weisen einen nicht-kreisförmigen Umfang auf, wobei dieser im in der Darstellung der 3 unteren und oberen Bereich jeweils durch Kreisbögen gebildet wird, während die Seitenflächen ebene Flächen sind. Zwischen den kreisbogenförmigen und den geraden Abschnitten eines Umfangs können Übergangsabschnitte angeordnet sein. Zwischen den Linsen 23, 24 sowie zwischen den Linsen 24, 25 sind Abstandshalter 26, 27 angeordnet, die die Linsen 23, 24, 25 in dem gemäß der Auslegung des optischen Systems vorgesehenen jeweiligen Abstand zueinander halten. Durch den nicht-kreisförmigen, dem Umfang der Linsen 23, 24, 25 angepassten Querschnitt des distalen Abschnitts 20 der Hülse 19 erfolgt zugleich eine Verdrehsicherung der Linsen 23, 24, 25 sowie eine Zentrierung der Linsen 23, 24, 25 entlang der optischen Achse. Die Linsen 23, 24, 25 werden mit Hilfe von Klebstoff, der durch die Bohrungen 22 eingebracht werden kann, in der Hülse 19 fixiert. Im zylindrischen proximalen Abschnitt 21 der Hülse 19 erweitert sich das Strahlenbündel nach dem vom Endoskopobjektiv erzeugten ersten Zwischenbild im Übergang zu den Relaislinsensystemen.
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In 4 ist anhand einer schematischen Darstellung eines Bildsensors 28 und einer Linse 23 symbolisch die Nutzung der Fläche in der Bildebene bzw. in einer Linsenebene der Linse 23, die etwa eine Mittelebene oder eine Hauptebene der Linse 23 sein kann, dargestellt. Der elektronische Bildsensor 28, beispielsweise ein CCD-Chip, ist im proximalen Abschnitt 21 der Hülse 19 in einer Bildebene des Endoskopobjektivs 16 angeordnet (s. 3), so dass das Endoskopobjektiv 16 auf dem Bildsensor 28 ein Bild des beobachteten Objektfelds entwirft. Da der Bildsensor 28 eine rechteckige Fläche aufweist, etwa im Format 16:9, werden die Kreissegmentflächen 30, 30‘, die die seitlichen äußeren Bereiche der Linse 23 bilden und in 4 schraffiert dargestellt sind, im Idealfall, d.h. wenn der Abstand zwischen der Bildebene und der Linse 23 gering ist, für die Erzeugung des Bilds auf dem Bildsensor 28 nicht benötigt. Ausgehend von einer kreisförmigen bzw. zylindrischen Linse, die in der Linsenebene die kreisförmige Fläche 31 einnimmt, werden daher bei der Linse 23 die seitlichen äußeren Bereiche, nämlich die Kreissegmentflächen 30, 30‘ entfernt. Der auf die Linsen- bzw. Bildebene projizierte Rand der Linse 23 wird somit in 4 oben und unten durch Kreisbogenabschnitte sowie seitlich durch Geraden, nämlich die Sehnen der Kreissegmentflächen 30, 30‘, gebildet. Die Linse 23 weist daher eine Breite auf, die durch den Abstand der genannten Sehnen definiert ist und die näherungsweise der Länge der kurzen Kante des Bildsensors 28 entspricht; die Breite ist geringer als die Höhe der Linse 23, die dem Durchmesser der kreisförmigen Fläche 31 entspricht und die näherungsweise gleich der Länge der langen Kante des Bildsensors 28 ist.
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Die Herstellung der absegmentierten Linse 23 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Linse 23 in üblicher Weise als kreisförmige bzw. zylindrische Linse hergestellt wird und danach die Kreissegmentflächen 30, 30‘ entfernt werden, etwa mechanisch durch Abschleifen. Das Entfernen der Kreissegmentflächen 30, 30‘ kann auch vor einem abschließenden Arbeitsgang in der Linsenherstellung durchgeführt werden.
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In 4 ist ferner symbolisch dargestellt, dass der rechteckförmige Bildsensor 28 derart genutzt werden kann, dass durch Auslesen von kreisförmigen Teilbereichen 29, 29‘, 29‘‘ jeweils ein Teil des Bildsensors 28 ein kreisförmiges endoskopisches Bild liefert. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn ohne mechanisch bewegliche Elemente in unterschiedlichen Blickrichtungen, jeweils unter Gewinnung eines in üblicher Weise darstellbaren endoskopischen Bilds, beobachtet werden soll.
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Wie in 4 dargestellt, wird das Format der Linse 23 durch Aussparen der Kreissegmentflächen 30, 30‘ zumindest teilweise dem Format des Bildsensors 28 angepasst. Hierdurch wird die Qualität des Bildes, das von dem Bildsensor 28 aufgenommen wird, nicht oder nicht wesentlich beeinträchtigt. Andererseits ermöglicht der durch Wegfall der Kreissegmentflächen 30, 30‘ der Linse 23 geschaffene Bauraum eine gerade, jedoch zur Längsachse des Außenschafts des Endoskop abgewinkelte Verlegung der Lichtleitfasern in ihrem jeweiligen distalen Endbereich sowie eine gekrümmte Verlegung der Lichtleitfasern mit einem ausreichenden Biegeradius, um einen Bruch der Lichtleitfasern zu verhindern (s. 1b). Der hierdurch gewonnene Bauraum kann alternativ oder zusätzlich für eine größere Anzahl von Lichtleitfasern und/oder für weitere am distalen Ende des Endoskops angeordnete Elemente genutzt werden.
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Der Übersichtlichkeit halber sind nicht in allen Figuren alle Bezugszeichen dargestellt. Zu einer Fig. nicht erläuterte Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in den übrigen Figuren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Endoskop
- 2
- Außenschaft
- 3
- Deckglas
- 4
- Austrittsfläche
- 5, 5‘
- Austrittsfläche
- 6, 6‘
- Austrittsfläche
- 7
- Austrittsfläche
- 8
- Zwischenraum
- 9
- Innenschaft
- 10
- Distaler Endabschnitt
- 11
- Proximaler Abschnitt
- 12
- Abflachung
- 13
- Lichtleiterstrang
- 14
- Lichtleiterstrang
- 15
- Lichtleiterstrang
- 16
- Endoskopobjektiv
- 17
- Negativlinse
- 18
- Umlenkelement
- 19
- Hülse
- 20
- Distaler Abschnitt
- 21
- Proximaler Abschnitt
- 22
- Bohrung
- 23
- Linse
- 24
- Linse
- 25
- Linse
- 26
- Abstandshalter
- 27
- Abstandshalter
- 28
- Bildsensor
- 29, 29‘, 29‘‘
- Teilbereich
- 30, 30‘
- Kreissegmentfläche
- 31
- Kreisförmige Fläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009025659 A1 [0029, 0031, 0031]
