DE102016219217A1

DE102016219217A1 - Winkelselektives optisches System, Stereo-Videoendoskop mit einem solchen System sowie Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE102016219217A1
Application number: DE102016219217.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Schouwink; Jianxin Zhao
Original assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Current assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Priority date: 2016-10-04
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2036-10-05
Also published as: DE102016219217B4; WO2018065241A1; JP2019531509A; EP3523691A1; CN109661605A; US20190216302A1; US11363942B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System (20) eines Stereo-Videoendoskops (2) mit fester seitlicher Blickrichtung, ein Stereo-Videoendoskop (2) sowie ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems (20). Das optische System (20) des Stereo-Videoendoskops (2) mit fester seitlicher Blickrichtung umfasst eine seitwärts blickende distale optische Baugruppe (24) und eine proximale optische Baugruppe (26), die gemeinsam einen Strahlengang festlegen. Ferner umfasst das optische System (20) ein winkelselektives optisches Element mit einer senkrecht zu der optischen Achse (22) der distalen optischen Baugruppe (24) orientierten Oberfläche, wobei diese im Strahlengang befindliche Oberfläche mit einer einfallswinkelselektiven dielektrischen Beschichtung (60, 60‘) beschichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System eines Stereo-Videoendoskops mit fester seitlicher Blickrichtung, umfassend eine seitwärts blickende distale optische Baugruppe und eine proximale optische Baugruppe, die gemeinsam einen Strahlengang festlegen, wobei die proximale optische Baugruppe einen linken Linsensystemkanal und einen rechten Linsensystemkanal umfasst, die gleichartig aufgebaut sind, und wobei die distale optische Baugruppe eine optische Achse festlegt und dazu eingerichtet ist, aus einem Objektraum einfallendes Licht entlang des Strahlengangs in den linken Linsensystemkanal und in den rechten Linsensystemkanal der proximalen optischen Baugruppe einzukoppeln.
Ferner betrifft die Erfindung ein Stereo-Videoendoskop mit fester seitlicher Blickrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems eines Stereo-Videoendoskops mit fester seitlicher Blickrichtung, wobei das optische System eine seitwärts blickende distale optische Baugruppe und eine proximale optische Baugruppe umfasst, gemeinsam einen Strahlengang festlegen, wobei die proximale optische Baugruppe einen linken Linsensystemkanal und einen rechten Linsensystemkanal umfasst, die gleichartig aufgebaut sind, und wobei die distale optische Baugruppe eine optische Achse festlegt und dazu eingerichtet ist, aus einem Objektraum einfallendes Licht entlang des Strahlengangs in den linken Linsensystemkanal und in den rechten Linsensystemkanal der proximalen optischen Baugruppe einzukoppeln.
Videoendoskope, bei denen das an einer distalen Spitze eines Endoskopschafts eintretende Licht durch ein optisches System auf einen oder mehrere Bildsensoren gelenkt wird, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Es gibt Endoskope mit Geradeausblick, einer sog. 0°-Blickrichtung, Endoskope mit (fester) seitlicher Blickrichtung sowie Endoskope mit verstellbarer Blickrichtung (auch als V-DOV-Endoskope bezeichnet).
Außerdem sind Stereo-Videoendoskope bekannt, die dazu eingerichtet sind, ein stereoskopisches Bildpaar und/oder zwei stereoskopische Videokanäle aufzunehmen. Mit solchen Instrumenten ist es möglich, ein 3D-Abbild eines distal vor dem Ende des Endoskopschafts liegenden Objekts in einem Untersuchungs- oder Operationsraum zu erzeugen.
Stereo-Videoendoskope mit seitlicher Blickrichtung sind seitwärts blickende Endoskope mit einem festen vom Geradeausblick abweichenden Blickwinkel. Solche Endoskope umfassen vielfach eine Prismenanordnung aus mehreren Prismen, die die aus dem Objektraum unter einem Winkel zur Längsachse des Endoskopschafts in das optische System eintretenden Lichtstrahlen zweimal reflektieren und seitenrichtig in Richtung des Endoskopschafts umlenken. Ein solches Endoskop ist beispielsweise aus der DE 10 2014 206 513 A1 des Anmelders Olympus Winter & Ibe, Hamburg, bekannt.
Eine Umlenkprismenanordnung eines solchen Stereo-Videoendoskops umfasst typischerweise zwei oder drei Prismen. Die Prismen sind an ihren gemeinsamen Grenzflächen vielfach miteinander verkittet. Bei einer solchen Umlenkprismenanordnung findet die Reflektion der einfallenden Lichtbündel an zwei sowohl zur optischen Achse der Eintrittslinse als auch zur Längsachse des Endoskopschafts schrägstehenden reflektierenden Grenzflächen eines zweiten Prismas statt. Das zweite Prisma der Umlenkprismenanordnung befindet sich in Lichteinfallsrichtung hinter einem ersten Prisma, welches unmittelbar hinter der Eintrittslinse angeordnet ist. Die schrägstehende reflektierende Grenzfläche des zweiten Prismas, an der die zweite Reflexion stattfindet, bildet teilweise eine gemeinsame Grenzfläche mit dem ersten Prisma, welches die einfallenden Lichtstrahlen zuerst durchlaufen.
Die Eintrittslinse des optischen Systems eines solchen Stereo-Videoendoskops definiert die optische Achse des optischen Systems. Das optische System umfasst Blenden oder Menisken, die ein Blickfeld der Optik festlegen. Von innerhalb des Blickfeldes in das optische System einfallende Lichtbündel werden von dem optischen System auf einen oder mehrere Bildsensoren abgebildet. Lichtbündel, die von außerhalb des Blickfeldes in das optische System einfallen, führen vielfach zu Reflexionen innerhalb des optischen Systems und erzeugen so sog. „Geisterbilder“ oder „Flares“.
Eine bekannte Umlenkprismengruppe, in der solche Geisterbilder entstehen können, umfasst ein erstes Prisma und ein zweites Prisma, die miteinander verkittet sind. Das erste Prisma weist eine Eintrittsseite und eine Austrittsseite auf, wobei die Eintrittsseite gegenüber der Austrittsseite geneigt ist. Die Austrittsseite des ersten Prismas grenzt unmittelbar an eine zweite Eintrittsseite des zweiten Prismas an. Beispielsweise sind das erste und das zweite Prisma an diesen beiden Seiten miteinander verkittet. Das zweite Prisma umfasst ferner eine Reflexionsseite und eine zweite Austrittsseite. Licht, welches aus dem Bildfeld in die Umlenkprismengruppe einfällt, durchquert die Eintrittsseite des ersten Prismas und tritt an dessen Austrittsseite wieder aus. Das Licht gelangt anschließend unmittelbar durch die zweite Eintrittsseite in das zweite Prisma, wird an der Reflexionsseite innerhalb des zweiten Prismas reflektiert und verlässt dieses an der Austrittsseite.
Ein unter einem großen Winkel zur optischen Achse der Eintrittslinse in die Optik einfallender peripherer Lichtstrahl gelangt durch die Eintrittslinse in das erste Prisma und durchquert dessen Eintrittsseite und Austrittsseite. Gleichzeitig mit der ersten Austrittsseite durchquert der Lichtstrahl auch die zweite Eintrittsseite des zweiten Prismas. Wie bereits erwähnt, können diese beiden Prismenflächen miteinander verkittet sein. Der Lichtstrahl wird nun an der Reflexionsseite des zweiten Prismas reflektiert und trifft im spitzen Winkel auf die gemeinsame Grenzfläche zwischen dem ersten und zweiten Prisma, also von der Rückseite her auf die zweite Eintrittsseite des zweiten Prismas. Dort erfährt der Lichtstrahl Fresnelreflexion oder Totalreflexion und wird zurück zur Reflexionsseite des zweiten Prismas reflektiert. Von dort aus gelangt er erneut zu der zweiten Eintrittsseite des zweiten Prismas und wird erneut beispielsweise unter Totalreflexion von der Innenseite her an dieser Grenzfläche reflektiert. Anschließend gelangt der Lichtstrahl in einen linken oder einen rechten Linsensystemkanal und erzeugt dort ein Geisterbild. Diese an sich bekannte Vierfachreflexion in der Umlenkprismengruppe ist unerwünscht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein optisches System eines Stereo-Videoendoskops mit fester seitlicher Blickrichtung, ein Stereo-Videoendoskop mit fester seitlicher Blickrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems eines Stereo-Videoendoskops mit fester seitlicher Blickrichtung anzugeben, welches unempfindlicher gegenüber von außerhalb des Blickfeldes einfallenden Lichtbündeln ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein optisches System eines Stereo-Videoendoskops mit fester seitlicher Blickrichtung, umfassend eine seitwärts blickende distale optische Baugruppe und eine proximale optische Baugruppe, die gemeinsam einen Strahlengang festlegen, wobei die proximale optische Baugruppe einen linken Linsensystemkanal und einen rechten Linsensystemkanal umfasst, die gleichartig aufgebaut sind, und wobei die distale optische Baugruppe eine optische Achse festlegt und dazu eingerichtet ist, aus einem Objektraum einfallendes Licht entlang des Strahlengangs in den linken Linsensystemkanal und in den rechten Linsensystemkanal der proximalen optischen Baugruppe einzukoppeln, wobei das optische System dadurch fortgebildet ist, dass das optische System ein winkelselektives optisches Element mit einer senkrecht zu der optischen Achse der distalen optischen Baugruppe orientierten Oberfläche umfasst, wobei diese im Strahlengang befindliche Oberfläche mit einer einfallswinkelselektiven dielektrischen Beschichtung beschichtet ist.
In das optische System einfallende Lichtbündel, welche aus einem Bildfeld im Objektraum in das optische System einfallen, durchqueren die erste Eintrittsseite des ersten Prismas, werden an der Grenzfläche des Prismenkörpers abgelenkt und gelangen zur ersten Austrittsseite des ersten Prismas. Die erste Austrittsseite des ersten Prismas ist mit der zweiten Eintrittsseite des zweiten Prismas beispielsweise verkittet. Die Lichtbündel gelangen über diese Grenzfläche zur zweiten Eintrittsseite des zweiten Prismas. Sie werden an der Grenzfläche des Prismenkörpers abgelenkt und gelangen zur rückwärtigen Reflexionsseite des zweiten Prismas. Von dort aus werden die Lichtbündel zur zweiten Eintrittsseite des zweiten Prismas zurückreflektiert und erfahren innerhalb des Prismenkörpers des zweiten Prismas an dieser Grenzfläche Totalreflexion im Prismenkörper. Die Lichtbündel werden also an einer Innenseite der zweiten Eintrittsseite reflektiert. Von dort aus verlassen die Lichtbündel die Umlenkprismengruppe durch die Austrittsseite des zweiten Prismas.
Unter einer „seitlichen Blickrichtung“ oder dem Begriff „seitwärts blickend“ wird im Kontext der vorliegenden Beschreibung das Folgende verstanden. Das Stereo-Videoendoskop weist einen Schaft auf. Dieser Schaft ist starr oder flexibel. Bei starrem Schaft weist dieser eine Längserstreckungsrichtung auf. Bei flexiblem Schaft erstreckt sich der Schaft in einem distalen Endbereich in einer Längserstreckungsrichtung. Die Blickrichtung des Endoskops schließt mit dieser Längserstreckungsrichtung einen Winkel ein, der von Null verschieden ist. Dieser Winkel ist konstant. Beispielsweise beträgt ein solcher Winkel 30°.
In dem optischen System gemäß Aspekten der Erfindung ist eine Vierfachreflexion an den Grenzflächen der Umlenkprismengruppe, wie sie aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist, vorteilhaft ausgeschlossen. Bei Stereo-Videoendoskopen muss die Reflexionsfläche des zweiten Prismas größer als bei Prismen von Endoskopen sein, welche keine stereoskopische Abbildung liefern. Dies ist erforderlich, da für den rechten und linken Stereokanal eine möglichst große Stereobasis realisiert werden soll. Eine große Stereo-Basis erlaubt es, einen großen 3D-Effekt zu erzeugen. Diese konstruktive Anforderung führt jedoch zu der erwähnten Gefahr von mehrfachen Reflexionen, insbesondere der beschriebenen Vierfachreflexion. Diese Reflexionen erzeugen unerwünschte Geisterbilder.
Vorteilhaft sorgt die einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung dafür, dass ein winkelselektives optisches System bereitgestellt wird. Von außerhalb des Blickfeldes in das optische System einfallende Lichtbündel werden von der einfallswinkelselektiven dielektrischen Beschichtung zumindest zu einem weit überwiegenden Teil reflektiert. Mit anderen Worten gelangen also unter großem Winkel zur optischen Achse einfallende Lichtbündel nicht in das optische System. Sie sind entsprechend auch nicht in der Lage, dort Bildstörungen wie beispielsweise Geisterbilder zu erzeugen.
Die einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung ist vorteilhaft derart eingerichtet, dass ihre winkelselektive Funktionalität, die die von der Beschichtung transmittierten Lichtbündel auf solche Lichtbündel einschränkt, die unter einem vorgegebenen Winkel zur optischen Achse in das optische System einfallen. Dieser vorgegebene Winkel entspricht insbesondere demjenigen Öffnungswinkel, der durch das Blickfeld der Optik festgelegt ist. Nur Lichtbündel, die unter einem Einfallswinkel kleiner oder gleich diesem Grenzwinkel (gemessen wird der Winkel zur optischen Achse) in das optische System einfallen, durchqueren die einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das optische System dadurch fortgebildet, dass die distale optische Baugruppe in einer Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend eine Eintrittslinse, eine Umlenkprismengruppe und eine Austrittslinse umfasst, wobei die Umlenkprismengruppe in Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend ein erstes Prisma und ein zweites Prisma umfasst, wobei das erste Prisma eine erste Eintrittsseite und eine gegenüber dieser geneigte erste Austrittsseite umfasst, und wobei das zweite Prisma eine zweite Eintrittsseite, eine Reflexionsseite und eine zweite Austrittsseite umfasst, wobei die im Strahlengang befindliche Oberfläche die erste Eintrittsseite des ersten Prismas ist und diese erste Eintrittsseite mit der einfallswinkelselektiven dielektrischen Beschichtung beschichtet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das System dadurch fortgebildet, dass das optische System ein Eintrittsfenster umfasst und das aus dem Objektraum einfallende Licht durch dieses Eintrittsfenster in die distale optische Baugruppe einfällt, wobei die im Strahlengang befindliche Oberfläche eine Seite des Eintrittsfensters ist und diese Seite mit der einfallswinkelselektiven dielektrischen Beschichtung beschichtet ist.
In diesem Zusammenhang ist insbesondere vorgesehen, dass eine der distalen optischen Baugruppe zugewandte Innenseite des Eintrittsfensters mit der einfallswinkelselektiven dielektrischen Beschichtung beschichtet ist.
Die Beschichtung der ersten Eintrittsseite des ersten Prismas und/oder der Innenseite des Eintrittsfensters ist besonders vorteilhaft. Die winkelabhängige Selektion der einfallenden Lichtbündel erfolgt direkt am Eingang des optischen Systems. Mit anderen Worten gelangen also aus einem Außenraum in das optische System einfallende Lichtbündel nur bis zu einer dieser in Einfallsrichtung sehr weit vorn liegenden Grenzflächen, so dass innerhalb des optischen Systems die auftretenden Störungen minimiert sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist außerdem vorgesehen, dass die einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung ein Schichtpaket ist, welches aus zumindest einer Doppellage zweier dünner Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex aufgebaut ist.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das Schichtpaket nach der Art eines Bragg-Spiegels eine Mehrzahl von periodisch aufeinanderfolgenden Doppellagen umfasst.
Es ist gemäß weiterer Ausführungsformen vorgesehen, dass das optische System dazu eingerichtet ist, monochromatisches Licht, beispielsweise zur Erzeugung von Schwarz/Weiß- oder Graustufenbildern, zu empfangen. Hierzu ist beispielsweise ein entsprechender Filter vor dem optischen Systems vorgesehen. Ebenso ist es möglich, dass der linke und/oder der rechte Linsensystemkanal Bildsensoren umfasst, die eine Umwandlung der empfangenen Lichtsignale in ein Graustufen-Bildsignal vornehmen. Ebenso können schmalbandige oder nur für annähernd eine Wellenlänge transparente Filter vor den Bildsensoren vorgesehen sein.
Dielektrische Beschichtungen können genau definierte optische Interferenzen zwischen den reflektierten bzw. transmittierten Teilstrahlen eines einfallenden Lichtbündels hervorrufen. Unter Ausnutzung dieses Effekts ist es möglich, das einfallende Lichtbündel nahezu beliebig in Transmission und Reflektion, also ein transmittiertes und ein reflektiertes Lichtbündel, aufzuteilen.
Das einfallende Lichtbündel wird sowohl an der Oberseite der dielektrischen Schicht als auch an der Grenzfläche zwischen der dielektrischen Schicht und dem Substrat (bei dem es sich beispielsweise um das Material des beschichteten optischen Elements handelt) statt. Es entsteht jeweils ein reflektierter Teilstrahl. Diese beiden reflektierten Teilstrahlen weisen eine Phasenverschiebung zueinander auf. Sie entspricht dem Produkt aus Brechungsindex und geometrischer Dicke der Schicht. Dabei darf der Phasensprung bei Reflektion am optisch dichteren Medium nicht außer Acht gelassen werden. Die geometrische Dicke der Schicht ist abhängig vom Einfallswinkel des einfallenden Lichtbündels. Fällt das Lichtbündel unter großem Winkel zur optischen Achse ein, ist die geometrische Dicke größer, als wenn es nahezu parallel zur optischen Achse einfällt.
Dieser geometrisch bedingte Weglängenunterschied führt dazu, dass die Phasendifferenz zwischen dem an der Oberseite der dielektrischen Beschichtung reflektierten ersten Teilstrahl und dem an der Grenzfläche zum Substrat reflektierten zweiten Teilstrahl vom Einfallswinkel des Strahlenbündels abhängt. Es kommt zu einer winkelabhängigen Veränderung der Phasendifferenz. Diese Winkellängenabhängigkeit führt zu winkelabhängigen Interferenzphänomenen zwischen den beiden Teilstrahlen, mit anderen Worten also einer winkelabhängigen Reflektivität der dielektrischen Schicht.
Die beispielsweise derart bereitgestellte einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung sorgt also bei richtiger Wahl der geometrischen Schichtdicke und Auswahl des passenden Materials dafür, dass von außerhalb des Blickfeldes einfallende Lichtbündel an der dielektrischen Beschichtung reflektiert werden und somit nicht ins optische System gelangen. Hierzu ist stets die Kombination aus Schichtdicke und Brechungsindex des verwendeten dielektrischen Materials zu berücksichtigen.
Die winkelabhängige Reflektivität wird ähnlich wie bei einem Bragg-Spiegel schärfer, wenn anstatt einer dielektrischen Schicht eine Doppellage zweier dünner Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes eingesetzt wird. Dieser Effekt wird weiter verstärkt, wenn anstatt einer Doppellage eine Vielzahl von Doppellagen in einem Schichtpaket eingesetzt wird. Je mehr Schichten ein solches Schichtpaket bzw. je mehr Doppellagen ein solches Schichtpaket umfasst, desto schärfer ist dessen Selektivität im Hinblick auf den Einfallswinkel.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung eine Vielzahl von Mikroprismen umfasst.
Eine Beschichtung aus Mikroprismen ist beispielsweise durch photolithographische Verfahren erhältlich. Hierzu wird eine aufgebrachte dielektrische Schicht nachträglich strukturiert. Es ist ebenso möglich, zur Herstellung der Mikroprismen Druck- oder Stanzverfahren einzusetzen, mit denen eine entsprechende Strukturierung der Oberfläche der dielektrischen Beschichtung vorgenommen werden kann.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Stereo-Videoendoskop mit fester seitlicher Blickrichtung, welches durch ein optisches System nach einem oder mehreren der zuvor genannten Ausführungsformen fortgebildet ist. Auf das Stereo-Videoendoskop treffen gleiche oder ähnliche Vorteile zu, wie sie bereits im Hinblick auf das optische System selbst erwähnt wurden, so dass auf Wiederholungen verzichtet werden soll.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems eines Stereo-Videoendoskops mit fester seitlicher Blickrichtung, wobei das optische System eine seitwärts blickende distale optische Baugruppe und eine proximale optische Baugruppe umfasst, gemeinsam einen Strahlengang festlegen, wobei die proximale optische Baugruppe einen linken Linsensystemkanal und einen rechten Linsensystemkanal umfasst, die gleichartig aufgebaut sind, und wobei die distale optische Baugruppe eine optische Achse festlegt und dazu eingerichtet ist, aus einem Objektraum einfallendes Licht entlang des Strahlengangs in den linken Linsensystemkanal und in den rechten Linsensystemkanal der proximalen optischen Baugruppe einzukoppeln, wobei das Verfahren dadurch fortgebildet ist, dass das optische System mit einem winkelselektiven optischen Element versehen wird, welches eine senkrecht zu der optischen Achse der distalen optischen Baugruppe orientierte Oberfläche umfasst, wobei diese im Strahlengang befindliche Oberfläche mit einer einfallswinkelselektiven dielektrischen Beschichtung beschichtet wird.
Auch auf das Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems eines Stereo-Videoendoskops mit fester seitlicher Blickrichtung treffen gleiche oder ähnliche Vorteile zu, wie sie bereits im Hinblick auf das optische System selbst erwähnt wurden.
Das Verfahren ist vorteilhaft dadurch fortgebildet, dass als einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung ein Schichtpaket aus zumindest einer Doppellage zweier dünner Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex aufgebracht wird.
Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass eine Mehrzahl von periodisch aufeinander folgenden Doppellagen als Schichtpaket nach der Art eines Bragg-Spiegels aufgebracht wird.
Eine winkelselektive dielektrische Beschichtung kann ferner insbesondere dadurch bereitgestellt werden, dass als einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung eine Vielzahl von Mikroprismen auf der Oberfläche hergestellt wird.
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 ein Stereo-Videoendoskop in schematisch vereinfachter Darstellung,
2 eine schematisch vereinfachte Darstellung eines optischen Systems eines solchen Stereo-Videoendoskops und
3 eine schematische und vereinfachte Darstellung eines Schichtpakets im Querschnitt.
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.
1 zeigt in schematisch vereinfachter perspektivischer Darstellung ein Stereo-Videoendoskop 2, umfassend einen proximalen Handgriff 4, an den sich ein beispielsweise starrer Endoskopschaft 6 anschließt. Der Endoskopschaft 6 kann ebenso flexibel oder halbflexibel sein. An einer distalen Spitze 8 des Endoskopschafts 6 befindet sich ein Eintrittsfenster 10, durch welches Licht aus einem Objektraum 11, beispielsweise aus einem Operations- und/oder Beobachtungsfeld, in ein in 1 nicht sichtbares optisches System des Stereo-Videoendoskops 2 eintritt. Das optische System des Stereo-Videoendoskops 2 ist beispielsweise in einem distalen Abschnitt 12 des Endoskopschafts 6 angeordnet. Das optische System bildet Objekte, die sich im Objektraum 11 befinden, auf Bildsensoren ab. Diese Bildsensoren sind beispielsweise solche mit hoher Auflösung, z.B. HD, 4K oder folgende Technologien.
Das gezeigte Stereo-Videoendoskop 2 ist ein chirurgisches Instrument. Außerdem handelt es sich um ein Endoskop mit fester seitlicher Blickrichtung. Das Eintrittsfenster 10 ist geneigt im Endoskopschaft 6 montiert, so dass eine optische Achse der Eintrittslinse des nicht dargestellten optischen Systems mit einer Längserstreckungsrichtung L des Endoskopschafts 6 des Stereo-Videoendoskops 2 einen festen Winkel einschließt. Dieser Winkel beträgt beispielsweise zwischen 10° und 30°.
Eine Änderung der Blickrichtung um eine Längsachse des Endoskopschafts 6 wird durch eine Drehung des Handgriffs 4 bewirkt. Das im distalen Abschnitt 12 vorhandene optische System rotiert bei dieser Drehung des Handgriffs 4 mit. Zur Beibehaltung der Horizontallage des angezeigten Bildes wird bei einer Drehung des Handgriffs 4 ein Drehrad 14 festgehalten. Dies bewirkt, dass die Bildsensoren im Inneren des Endoskopschafts 6 die Drehbewegung nicht mitvollziehen.
2 zeigt in schematisch vereinfachter Darstellung ein optisches System 20, wie es in dem in 1 beispielhaft gezeigten Stereo-Videoendoskop 2 zum Einsatz kommt.
Das optische System 20 definiert die feste seitliche Blickrichtung des Stereo-Videoendoskops 2. Die optische Achse 22 schließt mit der Längserstreckungsrichtung L des Endoskopschafts 6 einen festen Winkel von beispielsweise 30° ein. Das optische System 20 umfasst eine seitwärts blickende distale optische Baugruppe 24 und eine proximale optische Baugruppe 26. Aus dem Objektraum 11 durch das Eintrittsfenster 10 einfallendes Licht trifft zunächst auf die Eintrittslinse 28 und gelangt anschließend in eine Umlenkprismengruppe 30 der distalen optischen Baugruppe 24. Die Umlenkprismengruppe 30 umfasst in Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend ein erstes Prisma 32 und ein zweites Prisma 34.
In Lichteinfallsrichtung durchqueren die Lichtbündel, welche die Eintrittslinse 28 verlassen, zunächst eine erste Eintrittsseite 36 des ersten Prismas 32. Die Lichtbündel durchqueren den Körper des ersten Prismas 32 und gelangen zu dessen erster Austrittsseite 38. Die erste Austrittsseite 38 ist gegenüber der ersten Eintrittsseite 36 geneigt. Das erste Prisma 32 und das zweite Prisma 34 sind beispielsweise miteinander verkittet. Das zweite Prisma 34 umfasst eine zweite Eintrittsseite 40, durch welche das aus dem ersten Prisma 32 durch dessen erste Austrittsseite 38 austretende Licht in das zweite Prisma 34 eintritt. Die erste Austrittsseite 38 des ersten Prismas 32 und die zweite Eintrittsseite 40 des zweiten Prismas 34 sind im dargestellten Beispiel miteinander verkittet. Das zweite Prisma 34 umfasst ferner eine Reflexionsseite 42, welche gegenüber der zweiten Eintrittsseite 40 geneigt ist. Die über die zweite Eintrittsseite 40 in das zweite Prisma 34 eintretenden Lichtbündel werden an der Reflexionsseite 42 des zweiten Prismas 34 reflektiert. Von dort aus treffen sie von der Rückseite her auf die zweite Eintrittsseite 40 des zweiten Prismas 34. Die Lichtbündel werden dort unter einem solchen Winkel reflektiert, dass sie anschließend das zweite Prisma 34 an seiner zweiten Austrittsseite 44 verlassen. Von dort aus gelangen die Lichtbündel weiter in Lichteinfallsrichtung zu einer Austrittslinse 46 der distalen optischen Baugruppe 24.
Die proximale optische Baugruppe 26 umfasst einen linken Linsensystemkanal 48L und einen rechten Linsensystemkanal 48R. Der linke und der rechte Linsensystemkanal 48L, 48R sind gleichartig oder gar identisch aufgebaut. Sie sind ferner so angeordnet, dass eine in 2 nicht dargestellte linke optische Achse und eine ebenfalls nicht dargestellte rechte optische Achse des linken bzw. rechten Linsensystemkanals 48L, 48R parallel zueinander ausgerichtet sind. Der linke Linsensystemkanal 48L umfasst eine abbildende linke Linsengruppe 50L, die das einfallende Licht auf einen linken Bildsensor 52L abbildet. Entsprechend umfasst der rechte Linsensystemkanal 48R eine abbildende rechte Linsengruppe 50R, die das einfallende Licht auf einen rechten Bildsensor 52R abbildet.
Die distale optische Baugruppe 24 ist dazu eingerichtet, die aus dem Objektraum 11 einfallenden Lichtbündel sowohl in den linken Linsensystemkanal 48L als auch in den rechten Linsensystemkanal 48R einzukoppeln.
Die Reflexionsseite 42 des zweiten Prismas 34 ist beispielsweise vollflächig mit einer reflektierenden Beschichtung versehen. Beispielsweise ist die Außenseite des zweiten Prismas 34 an der Reflexionsseite 42 mit Aluminium (Al) oder Silber (Ag) bedampft.
Die Fläche der Reflexionsseite 42 des zweiten Prismas 34 ist bei Stereo-Videoendoskopen wesentlich größer als bei Endoskopen, welche keine stereoskopischen Abbildungen liefern. Dies ist erforderlich, um einen möglichst großen Abstand des linken und rechten Stereokanals zu ermöglichen. Eine solche große Stereobasis ermöglicht einen starken 3D-Effekt.
Eine solche Prismenkonstruktion geht jedoch mit dem technischen Nachteil einher, dass es schnell zu Mehrfachreflexionen kommt, die ein sog. Geisterbild erzeugen. Solche Geisterbilder werden von peripheren Lichtstrahlen erzeugt, die unter großem Winkel zur optischen Achse 22 aus dem Objektraum 11 in das optische System 20 einfallen.
Ein solcher peripherer Lichtstrahl gelangt durch die Eintrittslinse 28 in das erste Prisma 32 und von dort aus in das zweite Prisma 34. Er trifft auf die Reflexionsseite 42 des zweiten Prismas 34, wird dort reflektiert und trifft im spitzen Winkel auf die Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Prisma 32, 34. Von dort aus wird er zurück zur Reflexionsseite 42 des zweiten Prismas 34 reflektiert und gelangt erneut zur zweiten Eintrittsseite 38 des zweiten Prismas 34. An dieser Grenzfläche erfolgt erneut Totalreflexion, so dass der Lichtstrahl anschließend über die Austrittsseite 44 die Umlenkprismengruppe 30 verlässt und in dem linken oder rechten Linsensystemkanal 48L, 48R ein Geisterbild erzeugt.
Um derartige periphere Lichtstrahlen zu unterdrücken, umfasst das optische System 20 ein winkelselektives optisches Element, welches eine im Strahlengang befindliche Oberfläche umfasst, die senkrecht zur optischen Achse 22 der distalen optischen Baugruppe 24 orientiert ist. Diese Oberfläche ist mit einer einfallswinkelselektiven dielektrischen Beschichtung beschichtet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine solche einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung 60 auf einer der distalen optischen Baugruppe 24 zugewandten Innenseite des Eintrittsfensters 10 vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich ist eine solche dielektrische Beschichtung 60‘ auf der ersten Eintrittsseite 36 des ersten Prismas 32 vorgesehen.
Die einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung 60, 60‘ sorgt dafür, dass periphere Lichtstrahlen, welche von außerhalb des Blickfeldes in das optische System 20 einfallen, an dieser zurück in den Objektraum 11 reflektiert werden. Derartige periphere Lichtstrahlen treten also nicht weiter in das optische System 20 ein und sind entsprechend auch nicht in der Lage, dort Bildfehler hervorzurufen.
Die einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung 60, 60‘ ist beispielsweise ein Schichtpaket, wie es schematisch und vereinfacht in 3 in einem Querschnitt dargestellt ist.
Die einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung 60 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Schichtpaket 62, welches aus einer Vielzahl von Doppellagen 64 aufgebaut ist. Jede Doppellage 64 besteht aus einer ersten Schicht 66 mit einem ersten Brechungsindex n1 und aus einer zweiten Schicht 68 mit einem zweiten Brechungsindex n2. Das Schichtpaket 62 ist beispielsweise auf dem Material des Eintrittsfensters 10 oder des ersten Prismas 32 aufgebracht, welche in 3 schematisch als Substrat 70 dargestellt sind. Die einzelnen Schichten 66, 68 zeichnen sich neben ihrem Brechungsindex n1, n2 auch durch ihre Schichtdicke d1, d2 aus, welche in Richtung der Oberflächennormalen N des Substrats 70 gemessen wird und beispielsweise zwischen wenigen zehn Nanometern (nm) und wenigen Mikrometern (µm) liegt. Die Oberflächennormale N entspricht zumindest näherungsweise der Richtung der optischen Achse 22.
An jeder der Grenzflächen zwischen der ersten und der zweiten Schicht 66, 68 und ebenso an der Oberfläche des Schichtpakets 62 sowie der Grenzfläche zum Substrat 70 wird ein Teil eines einfallenden Lichtbündels reflektiert. Die so entstehenden reflektierten Teilstrahlen weisen eine einfallswinkelabhängige Phasenverschiebung zueinander auf, welche durch den Brechungsindex n1, n2 und den im jeweiligen Material zurückgelegten Weg bestimmt ist.
Dieser Weg ist abhängig von der Schichtdicke d1, d2 der einzelnen Schichten und ebenso vom Einfallswinkel, also einem Winkel zur Oberflächennormalen N. Hieraus ergibt sich eine Winkelabhängigkeit der Reflektivität (und somit auch der Transmission) des Schichtpakets 62. So ist die Phasenverschiebung für einen beispielhaft unter großem Winkel α1 zur Obenflächennormalen N einfallenden ersten Lichtstrahl 72 größer als für einen zweiten Lichtstrahl 74, der unter kleinem Einfallswinkel α2 zur Obenflächennormalen N auf das Schichtpaket 62 trifft.
Durch entsprechende Wahl des Materials für die erste und zweite Schicht 66, 68 im Hinblick auf deren Brechungsindex n1, n2 sowie deren Schichtdicke d1, d2, lassen sich die Reflexions- bzw. Transmissionseigenschaften des Schichtpakets 62 so einstellen, dass lediglich Lichtstrahlen von innerhalb des Blickwinkels des optischen Systems 20 die einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung 60, 60‘ passieren. Die Anzahl der Doppellagen 64 im Schichtpaket 62 bestimmt dabei die Schärfe der Winkelabhängigkeit, ähnlich wie dies bei einem Bragg-Spiegel der Fall ist.
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems 20 eines Stereo-Videoendoskops 2 mit fester seitlicher Blickrichtung wird dem optischen System 20 ein winkelselektives optisches Element hinzugefügt, beispielsweise das Eintrittsfenster 10 oder das erste Prisma 32. Dieses winkelselektive optische Element umfasst eine Oberfläche, welche sich im Strahlengang des optischen Systems 20 befindet und mit der optischen Achse 22 des optischen Systems 20 einen zumindest näherungsweise senkrechten Winkel einschließt. Diese Oberfläche wird nun mit einer einfallswinkelselektiven dielektrischen Beschichtung 60, 60‘ versehen. Bei dieser kann es sich neben einem beispielhaft in 3 dargestellten Schichtpaket 60 auch um eine Anordnung mit einer Vielzahl von Mikroprismen handeln.
Ferner ist vorgesehen, dass bei einem Verfahren zum Reparieren eines Stereo-Videoendoskops 2 mit fester seitlicher Blickrichtung in ähnlicher Weise verfahren wird. Es wird beispielsweise die Umlenkprismengruppe 30 eines herkömmlichen optischen Systems 20 durch eine Umlenkprismengruppe 30 ersetzt, welche eine winkelabhängige dielektrische Beschichtung 60‘ umfasst. Ebenso ist vorgesehen, beispielsweise das Eintrittsfenster 10 zu ersetzen durch ein Eintrittsfenster 10, welches eine winkelselektive dielektrische Beschichtung 60 insbesondere auf seiner Innenseite umfasst. Ebenso ist es möglich, die vollständige distale optische Baugruppe 24 oder gar das komplette optische System 20 auszutauschen.
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. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
Bezugszeichenliste

2: Stereo-Videoendoskop
4: Handgriff
6: Endoskopschaft
8: distale Spitze
10: Eintrittsfenster
11: Objektraum
12: distaler Abschnitt
14: Drehrad
20: optisches System
22: optische Achse
24: distale optische Baugruppe
26: proximale optische Baugruppe
28: Eintrittslinse
30: Umlenkprismengruppe
32: erstes Prisma
34: zweites Prisma
36: erste Eintrittsseite
38: erste Austrittsseite
40: zweite Eintrittsseite
42: Reflexionsseite
44: zweite Austrittsseite
46: Austrittslinse
48L: linker Linsensystemkanal
48R: rechter Linsensystemkanal
50L: linke Linsengruppe
50R: rechte Linsengruppe
52L: linker Bildsensor
52R: rechter Bildsensor
60, 60‘: dielektrische Beschichtung
62: Schichtpaket
64: Doppellage
66: erste Schicht
68: zweite Schicht
70: Substrat
72: erster Lichtstrahl
74: zweiter Lichtstrahl
L: Längserstreckungsrichtung
N: Oberflächennormale

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014206513 A1 [0005]

Claims

Optisches System (20) eines Stereo-Videoendoskops (2) mit fester seitlicher Blickrichtung, umfassend eine seitwärts blickende distale optische Baugruppe (24) und eine proximale optische Baugruppe (26), die gemeinsam einen Strahlengang festlegen, wobei die proximale optische Baugruppe (26) einen linken Linsensystemkanal (48L) und einen rechten Linsensystemkanal (48R) umfasst, die gleichartig aufgebaut sind, und wobei die distale optische Baugruppe (24) eine optische Achse (22) festlegt und dazu eingerichtet ist, aus einem Objektraum (11) einfallendes Licht entlang des Strahlengangs in den linken Linsensystemkanal (48L) und in den rechten Linsensystemkanal (48R) der proximalen optischen Baugruppe (26) einzukoppeln, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (20) ein winkelselektives optisches Element mit einer senkrecht zu der optischen Achse (22) der distalen optischen Baugruppe (24) orientierten Oberfläche umfasst, wobei diese im Strahlengang befindliche Oberfläche mit einer einfallswinkelselektiven dielektrischen Beschichtung (60, 60‘) beschichtet ist.
Optisches System (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die distale optische Baugruppe (24) in einer Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend eine Eintrittslinse (28), eine Umlenkprismengruppe (30) und eine Austrittslinse (46) umfasst, wobei die Umlenkprismengruppe (30) in Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend ein erstes Prisma (32) und ein zweites Prisma (34) umfasst, wobei das erste Prisma (32) eine erste Eintrittsseite (36) und eine gegenüber dieser geneigte erste Austrittsseite (38) umfasst, und wobei das zweite Prisma (34) eine zweite Eintrittsseite (40), eine Reflexionsseite (42) und eine zweite Austrittsseite (44) umfasst, wobei die im Strahlengang befindliche Oberfläche die erste Eintrittsseite (36) des ersten Prismas (32) ist und diese erste Eintrittsseite (36) mit der einfallswinkelselektiven dielektrischen Beschichtung (60‘) beschichtet ist.
Optisches System (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (20) ein Eintrittsfenster (10) umfasst und das aus dem Objektraum (11) einfallende Licht durch dieses Eintrittsfenster (10) in die distale optische Baugruppe (24) einfällt, wobei die im Strahlengang befindliche Oberfläche eine Seite des Eintrittsfensters (10) ist und diese Seite mit der einfallswinkelselektiven dielektrischen Beschichtung (60) beschichtet ist.
Optisches System (20) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der distalen optischen Baugruppe (24) zugewandte Innenseite des Eintrittsfensters (10) mit der einfallswinkelselektiven dielektrischen Beschichtung (60) beschichtet ist.
Optisches System (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung (60) ein Schichtpaket (62) ist, welches aus zumindest einer Doppellage (64) zweier dünner Schichten (66, 68) mit unterschiedlichem Brechungsindex (n1, n2) aufgebaut ist.
Optisches System (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtpaket (62) nach der Art eines Bragg-Spiegels eine Mehrzahl von periodisch aufeinanderfolgenden Doppellagen (64) umfasst.
Optisches System (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung (60, 60‘) eine Vielzahl von Mikroprismen umfasst.
Stereo-Videoendoskop (2) mit fester seitlicher Blickrichtung, gekennzeichnet durch ein optisches System (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems (20) eines Stereo-Videoendoskops (2) mit fester seitlicher Blickrichtung, wobei das optische System (20) eine seitwärts blickende distale optische Baugruppe (24) und eine proximale optische Baugruppe (26) umfasst, gemeinsam einen Strahlengang festlegen, wobei die proximale optische Baugruppe (26) einen linken Linsensystemkanal (48L) und einen rechten Linsensystemkanal (48R) umfasst, die gleichartig aufgebaut sind, und wobei die distale optische Baugruppe (24) eine optische Achse (22) festlegt und dazu eingerichtet ist, aus einem Objektraum (11) einfallendes Licht entlang des Strahlengangs in den linken Linsensystemkanal (48L) und in den rechten Linsensystemkanal (48R) der proximalen optischen Baugruppe (26) einzukoppeln, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (20) mit einem winkelselektiven optischen Element versehen wird, welches eine senkrecht zu der optischen Achse (22) der distalen optischen Baugruppe (24) orientierte Oberfläche umfasst, wobei diese im Strahlengang befindliche Oberfläche mit einer einfallswinkelselektiven dielektrischen Beschichtung (60, 60‘) beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung (60, 60‘) ein Schichtpaket (62) aus zumindest einer Doppellage (64) zweier dünner Schichten (66, 68) mit unterschiedlichem Brechungsindex (n1, n2) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von periodisch aufeinander folgenden Doppellagen (64) als Schichtpaket (62) nach der Art eines Bragg-Spiegels aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als einfallswinkelselektive dielektrische Beschichtung (60, 60‘) eine Vielzahl von Mikroprismen auf der Oberfläche hergestellt wird.