DE102018106220A1

DE102018106220A1 - Optisches System eines Stereo-Videoendoskops sowie Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE102018106220A1
Application number: DE102018106220.6A
Authority: DE
Inventors: Mario Bock
Original assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Current assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2019-09-19
Also published as: WO2019175044A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System (20) eines Stereo-Videoendoskops (2), ein Stereo-Videoendoskop (2) sowie ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems (20). Das optische System (20) umfasst eine seitwärts blickende distale optische Baugruppe (24) und eine proximale optische Baugruppe (26) mit einem linken Linsensystemkanal (48L) und einem rechten Linsensystemkanal (48R). Die distale optische Baugruppe (24) umfasst eine Umlenkprismengruppe (30), die in Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend ein erstes und ein zweites Prisma (32, 34) umfasst. Das erste Prisma (32) ist aus einem ersten Teilprisma (60) und einem zweiten Teilprisma (62) aufgebaut. Eine Lichtaustrittsfläche (64) des ersten Teilprismas (60) ist gegenüber einer optischen Achse (22) der distalen optischen Baugruppe (24) geneigt und mit einer Beschichtung (65) versehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System eines Stereo-Videoendoskops mit seitlicher Blickrichtung, umfassend eine seitwärts blickende gemeinsame distale optische Baugruppe und eine proximale optische Baugruppe, wobei die proximale optische Baugruppe einen linken Linsensystemkanal und einen rechten Linsensystemkanal umfasst, die gleichartig aufgebaut sind, und wobei die distale optische Baugruppe dazu eingerichtet ist, aus einem Objektraum einfallende Lichtbündel in den linken Linsensystemkanal und in den rechten Linsensystemkanal der proximalen optischen Baugruppe einzukoppeln, wobei die distale optische Baugruppe eine Umlenkprismengruppe umfasst, die in Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend ein erstes Prisma und ein zweites Prisma umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems eines Stereo-Videoendoskops mit seitlicher Blickrichtung, umfassend eine seitwärts blickende gemeinsame distale optische Baugruppe und eine proximale optische Baugruppe, wobei die proximale optische Baugruppe einen linken Linsensystemkanal und einen rechten Linsensystemkanal umfasst, die gleichartig aufgebaut sind, und wobei die distale optische Baugruppe dazu eingerichtet ist, aus einem Objektraum einfallende Lichtbündel in den linken Linsensystemkanal und in den rechten Linsensystemkanal der proximalen optischen Baugruppe einzukoppeln, wobei die distale optische Baugruppe eine Umlenkprismengruppe umfasst, die in Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend ein erstes Prisma und ein zweites Prisma umfasst.
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 sogenannten 0°-Blickrichtung, Endoskope mit fester seitlicher Blickrichtung und Endoskope mit verstellbarer seitlicher Blickrichtung, die auch als V-DOV-Endoskope bezeichnet werden.
Es sind ferner Stereo-Videoendoskope bekannt, die dazu eingerichtet sind, stereoskopische Videokanäle aufzunehmen und bereitzustellen. Mit solchen Instrumenten ist es möglich, ein 3D-Abbild eines Objekts in einem Untersuchungs- und/oder Operationsraum zu erzeugen.
Stereo-Videoendoskope mit seitlicher Blickrichtung umfassen vielfach eine Umlenkprismengruppe aus mehreren Prismen, die die aus einem Objektraum unter einem bestimmten Winkel zur Längsachse des Endoskopschafts in das optische System eintretenden Lichtstrahlen mehrfach reflektieren und seitenrichtig in Richtung eines linken und eines rechten Linsensystemkanals ablenken.
Ein Endoskopobjektiv mit einer Umlenkprismengruppe ist beispielsweise aus der DE 197 36 617 A1 bekannt.
Die Umlenkprismengruppe eines Stereo-Videoendoskops umfasst vielfach zwei Prismen, die an ihren gemeinsamen Grenzflächen miteinander verkittet sind. Die einfallenden Lichtbündel werden an zwei sowohl zur optischen Achse der Eintrittslinse als auch zur Längsachse des Endoskopschafts schrägstehenden und reflektierenden Grenzflächen des zweiten Prismas reflektiert. Das zweite Prisma befindet sich in Lichteinfallsrichtung hinter dem ersten Prisma, welches unmittelbar hinter einer Eintrittslinse angeordnet ist. Die schrägstehende Grenzfläche des zweiten Prismas, an der die Reflexion stattfindet, bildet teilweise eine gemeinsame Grenzfläche mit dem ersten Prisma, welches die einfallenden Lichtstrahlen zuerst durchlaufen.
Die Eintrittslinse eines solchen optischen Systems eines Stereo-Videoendoskops definiert eine optische Achse des Systems. Die optische Achse folgt dem abgelenkten Strahlengang durch die Umlenkprismengruppe hindurch bis in die proximale optische Baugruppe, in der der linke und der rechte Linsensystemkanal parallel zu der optischen Achse angeordnet sind. Bezüglich der Ausrichtung der optischen Elemente und Einheiten der distalen optischen Baugruppe soll im Kontext der vorliegenden Beschreibung stets auf die durch die Eintrittslinse definierte Lage der optischen Achse Bezug genommen werden.
Das optische System eines Stereo-Videoendoskops umfasst ferner Blenden oder Menisken, die ein Sichtfeld bzw. einen Öffnungswinkel der Optik festlegen. Von innerhalb des Sichtfelds aus dem Objektraum in die Optik einfallende Lichtbündel werden von dem optischen System, d.h. von der distalen und von der proximalen optischen Baugruppe, auf Bildsensoren in den Linsensystemkanälen abgebildet. Lichtbündel, die von außerhalb des Sichtfeldes unter einem großem Winkel zur optischen Achse in das optische System einfallen, können hingegen im optischen System unerwünschte Reflexionen und sog. „Geisterbilder“ oder „Flares“ erzeugen.
Ein unter einem großen Winkel zur optischen Achse der Eintrittslinse in die Optik einfallender peripherer Lichtstrahl gelangt durch die Eintrittslinse in das erste Prisma der Umlenkprismengruppe und durchquert dessen erste Lichteintrittsfläche und dessen erste Lichtaustrittsfläche. Mit Austritt aus der ersten Lichtaustrittsfläche durchquert der Lichtstrahl eine zweite Lichteintrittsfläche des zweiten Prismas. Der periphere Lichtstrahl wird 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 Lichteintrittsfläche des zweiten Prismas. Dort wird der periphere Lichtstrahl total reflektiert und gelangt zurück zur Reflexionsseite des zweiten Prismas. Von dort aus gelangt er erneut rückseitig zu der zweiten Lichteintrittsfläche des zweiten Prismas und wird dort erneut totalreflektiert. Anschließend kann der Lichtstrahl in den linken oder den rechten Linsensystemkanal gelangen und dort ein Geisterbild erzeugen. Die oben erläuterte Vierfachreflexion in der Umlenkprismengruppe ist unerwünscht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein optisches System eines Stereo-Videoendoskops mit seitlicher Blickrichtung, ein Stereo-Videoendoskop mit seitlicher Blickrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems eines Stereo-Videoendoskops mit seitlicher Blickrichtung anzugeben, wobei das optische System unempfindlich gegenüber von außerhalb eines Sichtfelds einfallenden peripheren Lichtbündeln, insbesondere im Hinblick auf mögliche Bildstörungen, sein soll.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein optisches System eines Stereo-Videoendoskops mit seitlicher Blickrichtung, umfassend eine seitwärts blickende gemeinsame distale optische Baugruppe und eine proximale optische Baugruppe, wobei die proximale optische Baugruppe einen linken Linsensystemkanal und einen rechten Linsensystemkanal umfasst, die gleichartig aufgebaut sind, und wobei die distale optische Baugruppe dazu eingerichtet ist, aus einem Objektraum einfallende Lichtbündel in den linken Linsensystemkanal und in den rechten Linsensystemkanal der proximalen optischen Baugruppe einzukoppeln, wobei die distale optische Baugruppe eine Umlenkprismengruppe umfasst, die in Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend ein erstes Prisma und ein zweites Prisma umfasst, wobei das optische System dadurch fortgebildet ist, dass das erste Prisma aus einem ersten Teilprisma und einem zweiten Teilprisma aufgebaut ist, wobei eine Lichtaustrittsfläche des ersten Teilprismas gegenüber einer optischen Achse der distalen optischen Baugruppe geneigt ist und diese Lichtaustrittsfläche mit einer Beschichtung versehen ist.
Das optische System eines Stereo-Videoendoskops weist Reflexionsflächen der einzelnen Prismen in der Umlenkprismengruppe auf, die im Vergleich zu den optischen Systemen von Endoskopen, die keine stereoskopische Abbildung liefern, wesentlich größer sind. Der Grund ist, dass bei Stereo-Videoendoskopen der Abstand der beiden optischen Kanäle möglichst groß sein soll (große Stereobasis), um einen möglichst starken 3D-Effekt zu erzielen. Eine solche Prismenkonstruktion ist aufgrund der großen Reflexionsflächen jedoch anfällig für Mehrfachreflexionen, die, wie bereits eingangs dargestellt, Geisterbilder erzeugen können.
Das optische System gemäß Aspekten der Erfindung ist trotz dieser technischen Eigenart nur wenig bis gar nicht anfällig für Geisterbilder. Unter großem Winkel in das optische System einfallende Lichtstrahlen werden an der Lichtaustrittsfläche des ersten Teilprismas totalreflektiert und so aus dem Strahlengang entfernt.
Die Eigenschaften der Beschichtung, mit der die Lichtaustrittsfläche versehen ist, sind so gewählt, dass eine entsprechende Totalreflexion stattfindet. Gleichzeitig ist es möglich, die Lichtaustrittsfläche mit der Fläche eines weiteren optischen Elements zu verbinden, ohne dass die gewünschte optische Wirkung an der Grenzfläche zwischen dem Körper des ersten Teilprismas und der Beschichtung ihre Wirkung verliert. Mit anderen Worten tritt also auch dann Totalreflexion an dieser Grenzfläche auf, wenn an der Lichtaustrittsfläche ein weiteres optisches Element angeordnet wird und sogar mit dieser Lichtaustrittsfläche stoffschlüssig verbunden, beispielsweise verkittet, wird. Besonders vorteilhaft ist es, dass an der entsprechenden Lichtaustrittsfläche kein Luftspalt oder dergleichen vorgesehen werden muss, um die gewünschte optische Wirkung, also die Totalreflexion, zu erzeugen. Dies vereinfacht die Konstruktion und Herstellung des optischen Systems bei gleicher optischer Funktionalität erheblich.
Das optische System ist insbesondere ein optisches System eines Stereo-Videoendoskops mit variabler seitlicher Blickrichtung.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Beschichtung einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als ein Brechungsindex eines Materials des ersten Teilprismas.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Lichtaustrittsfläche des ersten Teilprismas um einen solchen Winkel gegenüber der optischen Achse gekippt ist, dass unter Berücksichtigung eines kritischen Einfallwinkels eines peripheren Lichtbündels von außerhalb des Sichtfeldes des optischen Systems an der Lichtaustrittsfläche Totalreflexion stattfindet. Ausgehend von dieser Bedingung kann ein gewünschter Brechungsindex des Materials der Beschichtung ermittelt werden. In diesem Zusammenhang wird insbesondere auch der Brechungsindex des Materials des ersten Teilprismas berücksichtigt. Für die Totalreflexion ist nämlich der Unterschied der Brechungsindizes an der Grenzfläche entscheidend.
Die Beschichtung ist bevorzugt mit einem Dünnschichtverfahren aufgebracht, beispielsweise aufgedampft oder mittels Sputterdeposition aufgetragen. Das erste Teilprisma ist beispielsweise aus einem Glas wie BK7 oder dergleichen hergestellt. Als Material für die Beschichtung kommen entsprechend optisch dünnere Materialien infrage.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das optische System dadurch fortgebildet, dass der linke Linsensystemkanal einen linken Bildsensor und der rechte Linsensystemkanal einen rechten Bildsensor umfasst, wobei die distale und die proximale optische Baugruppe einen Strahlengang festlegen, so dass aus einem in dem Objektraum gelegenen Sichtfeld einfallende Lichtbündel auf eine lichtempfindliche Fläche des linken und rechten Bildsensors abgebildet werden, wobei das Material des ersten Teilprismas und ein Material der Beschichtung so gewählt werden, dass ein Unterschied zwischen den Brechungsindizes dieser beiden Materialien dazu führt, dass Lichtbündel von außerhalb des Sichtfeldes an der Lichtaustrittsfläche des ersten Teilprismas unter Totalreflexion aus dem Strahlengang herausreflektiert werden.
Wie bereits oben erwähnt, ist das optische System für ein Stereo-Videoendoskop besonders vorteilhaft, da bauartbedingt bei Stereo-Videoendoskopen die reflektierenden Flächen in der distalen optischen Baugruppe, insbesondere in der Umlenkprismengruppe, verhältnismäßig groß ausgeführt werden müssen. Die eingesetzte Beschichtung erfüllt die Funktion ähnlich einer Maske. Mit einer Maske würde ein definierter Luftspalt zwischen den Teilprismen hergestellt, so dass Totalreflexion an der Grenzfläche Glas-Luft stattfindet. Stattdessen kommt gemäß Aspekten der Erfindung eine entsprechende Beschichtung zum Einsatz. Dies hat den Vorteil, dass gleichzeitig die Gefahr vermieden wird, dass der Luftspalt keine konstante Breite aufweist. Bereits eine minimale Verkippung der beiden Teilprismen wirkt sich negativ auf die Qualität des optischen Systems aus. Eine Beschichtung, welche in vollflächigem Kontakt mit einem angrenzenden optischen Bauteil stehen kann, und deren Schichtdicke außerdem sehr homogen realisiert werden kann, vermeidet dieses technische Problem.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische System dadurch fortgebildet, dass die Lichtaustrittsfläche des ersten Teilprismas vollflächig mit der Beschichtung versehen ist. In diesem Zusammenhang ist insbesondere vorgesehen, dass die Lichtaustrittsfläche des ersten Teilprismas mit einer Lichteintrittsfläche des zweiten Teilprismas verbunden ist, insbesondere stoffschlüssig verbunden ist, wobei die Beschichtung zwischen den beiden Teilprismen vorhanden ist. Ein solches optisches System weist eine hohe optische Qualität auf. Beispielsweise ist vorgesehen, dass die beiden Teilprismen miteinander verkittet werden.
Schließlich ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass das optische System dadurch fortgebildet ist, dass die gemeinsame distale optische Baugruppe in einer Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend eine Eintrittslinse, die Umlenkprismengruppe und eine Austrittslinse umfasst, wobei das erste Teilprisma des ersten Prismas eine senkrecht zu der optischen Achse der distalen optischen Baugruppe stehende erste Eintrittsseite und die gegenüber der optischen Achse geneigte und mit der Beschichtung versehene Lichtaustrittsfläche umfasst, und wobei das zweite Teilprisma eine parallel zu der Lichtaustrittsfläche orientierte Lichteintrittsfläche und eine gegenüber der optischen Achse geneigte erste Austrittsseite umfasst, und wobei das zweite Prisma eine parallel zu der ersten Austrittsseite orientierte zweite Eintrittsseite, eine Reflexionsseite und eine zweite Austrittsseite umfasst.
Vorteilhaft ist ein solches optisches System weniger anfällig gegen Fremdlichteinfall, insbesondere gegenüber solchen Lichtbündeln, die unter großen Winkeln zur optischen Achse der Einfallslinse in das distale optische System eintreten.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Stereo-Videoendoskop mit seitlicher Blickrichtung, insbesondere variabler seitlicher Blickrichtung, welches dadurch fortgebildet ist, dass es ein optisches System nach einer oder mehreren der zuvor genannten Ausführungsformen umfasst.
Das Stereo-Videoendoskop gemäß Aspekten der Erfindung ist weniger anfällig gegen Fremdlichteinfall und ist mit verringertem konstruktivem Aufwand herstellbar. Im Übrigen treffen gleiche oder ähnliche Vorteile auf das Stereo-Videoendoskop zu, wie sie bereits oben im Hinblick auf das optische System erwähnt wurden.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems eines Stereo-Videoendoskops mit seitlicher Blickrichtung, umfassend eine seitwärts blickende gemeinsame distale optische Baugruppe und eine proximale optische Baugruppe, wobei die proximale optische Baugruppe einen linken Linsensystemkanal und einen rechten Linsensystemkanal umfasst, die gleichartig aufgebaut sind, und wobei die distale optische Baugruppe dazu eingerichtet ist, aus einem Objektraum einfallende Lichtbündel in den linken Linsensystemkanal und in den rechten Linsensystemkanal der proximalen optischen Baugruppe einzukoppeln, wobei die distale optische Baugruppe eine Umlenkprismengruppe umfasst, die in Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend ein erstes Prisma und ein zweites Prisma umfasst, wobei das Verfahren dadurch fortgebildet ist, dass das erste Prisma aus einem ersten Teilprisma und einem zweiten Teilprisma aufgebaut wird, wobei eine Lichtaustrittsfläche des ersten Teilprismas gegenüber einer optischen Achse der distalen optischen Baugruppe geneigt angeordnet wird und vor der Montage diese Lichtaustrittsfläche mit einer Beschichtung versehen wird.
Auch auf das Verfahren zum Herstellen des optischen Systems treffen gleiche oder ähnliche Vorteile zu, wie sie bereits im Hinblick auf das optische System und das Stereo-Videoendoskop selbst erwähnt wurden, so dass auf Wiederholungen verzichtet werden soll.
Der verringerte konstruktive Aufwand des optischen Systems wirkt sich ebenso vorteilhaft auf das Verfahren zum Herstellen des optischen Systems aus. Das Verfahren liefert effizient und zuverlässig hochwertige Ergebnisse.
Das Verfahren ist beispielsweise dadurch vorteilhaft fortgebildet, dass die Lichtaustrittsfläche des ersten Teilprismas, insbesondere vollflächig, mit der Beschichtung versehen und anschließend das erste Prisma hergestellt wird, indem die beschichtete Lichtaustrittsfläche des ersten Teilprismas mit dem zweiten Teilprisma dauerhaft verbunden wird, wobei die Beschichtung zwischen den beiden Teilprismen vorhanden ist.
Die Beschichtung wird beispielsweise aufgedampft oder mittels eines anderen Dünnschichtverfahrens aufgetragen. Es ist ferner insbesondere vorgesehen, dass die beiden Teilprismen dauerhaft miteinander verbunden werden, insbesondere stoffschlüssig verbunden werden, beispielsweise werden sie miteinander verkittet.
Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass die miteinander dauerhaft verbundenen Oberflächen der Teilprismen zumindest näherungsweise die gleiche Größe haben. Die Verkittung der beiden Teilprismen ist ein Beispiel für eine stoffschlüssige Verbindung.
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 perspektivischer Darstellung,
2 eine schematisch vereinfachte Darstellung eines optischen Systems eines Stereo-Videoendoskops gemäß dem Stand der Technik in einer Schnittansicht und
3 eine schematisch vereinfachte Darstellung des optischen Systems eines Stereo-Videoendoskops, wobei der Strahlengang des rechten Linsensystemkanals dargestellt ist.

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 lediglich beispielhaft ein starrer Endoskopschaft 6 anschließt. Der Endoskopschaft 6 kann ebenso flexibel oder halbflexibel ausgebildet sein. An einer distalen Spitze 8 des Endoskopschafts 6 befindet sich ein Eintrittsfenster 10, durch welches Licht aus einem Objektraum 11, beispielsweise 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 bevorzugt solche mit hoher Auflösung, z. B. HD, 4K oder folgende Technologien.
Das gezeigte Stereo-Videoendoskop 2 ist bevorzugt ein chirurgisches Instrument. Es handelt sich bei dem Stereo-Videoendoskop 2 um eines mit fester seitlicher Blickrichtung oder mit variabler seitlicher Blickrichtung. Lediglich beispielhaft ist ein Stereo-Videoendoskop 2 mit fester seitlicher Blickrichtung dargestellt, dessen Eintrittsfenster 10 geneigt im Endoskopschaft 6 montiert ist, so dass eine optische Achse einer Eintrittslinse des in 1 nicht dargestellten optischen Systems mit einer Längserstreckungsrichtung L des Endoskopschafts 6 einen festen Winkel einschließt. Dieser Winkel beträgt beispielsweise zwischen 10° und 30°.
Eine Änderung der Blickrichtung um die Längsachse des Endoskopschafts 6 wird beispielsweise durch eine Drehung des Handgriffs 4 bewirkt. Das im distalen Abschnitt 12 vorhandene optische System rotiert bei einer solchen Drehung des Handgriffs 4 mit. Zur Beibehaltung der Horizontallage des angezeigten Bildes wird bei einer Drehung des Hangriffs 4 ein Drehrad 14 festgehalten. Dies bewirkt, dass die Bildsensoren im Inneren des Endoskopschafts 6 die Drehbewegung nicht mitvollziehen.
2 zeigt ein optisches System 20, wie es in Stereo-Videoendoskopen 2 gemäß dem Stand der Technik zum Einsatz kommt.
Das optische System 20 definiert eine feste seitliche Blickrichtung des Stereo-Videoendoskops 2. Die optische Achse 22, bei der es sich um die optische Achse einer Eintrittslinse 28 des optischen Systems 20 handelt, 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. Die proximale optische Baugruppe 26 umfasst einen linken Linsensystemkanal 48L und einen rechten Linsensystemkanal 48R. Die beiden Linsensystemkanäle 48L, 48R sind gleichartig aufgebaut. Die distale optische Baugruppe 24 ist dazu eingerichtet, aus einem Objektraum 11 einfallende Lichtbündel sowohl in den linken Linsensystemkanal 48L als auch in den rechten Linsensystemkanal 48R der proximalen optischen Baugruppe 26 einzukoppeln. Aus diesem Grund wird die distale optische Baugruppe 24 auch als gemeinsame distale optische Baugruppe 24 bezeichnet.
Aus dem Objektraum 11 durch das Eintrittsfenster 10 einfallende Lichtbündel treffen zunächst auf die Eintrittslinse 28 der distalen optischen Baugruppe 24 und gelangen anschließend in eine Umlenkprismengruppe 30. Die Umlenkprismengruppe 30 umfasst, betrachtet 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. Diese 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 beispielsweise 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 an der zweiten Eintrittsseite 40 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 Lichteinfallsrichtungen zu einer Austrittslinse 46 der distalen optischen Baugruppe 24.
Die proximale optische Baugruppe 26 umfasst den linken Linsensystemkanal 48L und den rechten Linsensystemkanal 48R. Die beiden Linsensystemkanäle 48L, 48R sind gleichartig oder identisch aufgebaut. Sie sind ferner so angeordnet, dass eine in 2 nicht dargestellte linke optische Achse des linken Linsensystemkanals 48L und eine ebenfalls nicht dargestellte rechte optische Achse des rechten Linsensystemkanals 48R parallel zueinander ausgerichtet sind. Der linke Linsensystemkanal 48L umfasst die 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, das aus dem Objektraum 11 einfallende Licht sowohl in den linken Linsensystemkanal 48L als auch in den rechten Linsensystemkanal 48R einzukoppeln. Aus diesem Grund ist die Reflexionsseite 42 des zweiten Prismas 34 bei Stereo-Videoendoskopen 2 wesentlich größer als bei Endoskopen, welche keine stereoskopischen Abbildungen liefern. Dieses Erfordernis ergibt sich aus dem Wunsch, einen möglichst großen Stereoabstand zwischen dem linken und dem rechten Linsensystemkanal 48L, 48R zu ermöglichen, was einen starken 3D-Effekt erzeugt.
Mit einer der beschriebenen Prismenkonstruktionen geht jedoch der technische Nachteil einher, dass es schnell zu Mehrfachreflexionen kommen kann, die ein sogenanntes 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.
Vielfach sind solche Geisterbilder die Folge einer sogenannten Vierfachreflexion. Ein 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 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 unerwünschte Lichtstrahl anschließend über die zweite Austrittsseite 44 die Umlenkprismengruppe 30 verlässt und in den rechten oder linken Linsensystemkanal 48L, 48R gelangt und dort ein Geisterbild erzeugt.
3 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung eines optischen Systems 20 eines Stereo-Videoendoskops 2 in einer Schnittansicht, wobei lediglich der Strahlengang des linken Linsensystemkanals 48L dargestellt ist. Im Vergleich zu dem aus 2 bekannten optischen System 20 ist das erste Prisma 32 in ein erstes Teilprisma 60 und in ein zweites Teilprisma 62 aufgeteilt.
Die äußere Form der beiden Teilprismen 60, 62 kann identisch zur äußeren Form des ersten Teilprismas 32, so wie es aus 2 bekannt ist, ausgestaltet sein. Das erste Teilprisma 60 umfasst die erste Eintrittsseite 36, durch die die aus dem Objektraum 11 durch das Eintrittsfenster 10 und die Eintrittsliste 28 in das optische System 20 einfallenden Lichtstrahlen in die Umlenkprismengruppe 30 eintreten. Gegenüberliegend umfasst das erste Teilprisma 60 eine Lichtaustrittsfläche 64, die gegenüber der optischen Achse 22 der distalen optischen Baugruppe 24 geneigt ist. Diese Lichtaustrittsfläche 64 ist beispielsweise um einen Winkel α gegenüber der optischen Achse 22 geneigt, wobei der Winkel α beispielsweise zwischen einem auf der Lichtaustrittsfläche 64 errichteten Lot 66 und der optischen Achse 22 gemessen wird. Außerdem ist die Lichtaustrittsfläche 64 mit einer Beschichtung 65 versehen.
Die Beschichtung 65 weist einen Brechungsindex auf, der kleiner ist als der Brechungsindex eines Materials des ersten Teilprismas 60. Der Unterschied der Brechungsindizes zwischen dem Material des ersten Teilprismas 60 und dem Material der Beschichtung 65 sorgt dafür, dass ein unter großem Winkel in das optische System 20 einfallender unerwünschter peripherer Lichtstrahl 68 an der Grenzfläche der beiden Materialien totalreflektiert wird. Dies ist mit einem Pfeil in 3 angedeutet. Der periphere Lichtstrahl 68 wird beispielsweise auf der Innenseite eines geschwärzten Tubus absorbiert, so dass er weder in der Lage ist, ein Geisterbild zu verursachen noch die optische Abbildungsqualität des optischen Systems 20 negativ beeinflusst. Selbstverständlich gilt dies auch für alle Lichtstrahlen, die unter noch größerem Winkel zur optischen Achse 22 in das optische System 20 einfallen.
Der periphere Lichtstrahl 68 fällt aus einem Bereich des Objektraums 11 in das optische System 20 ein, der außerhalb eines Sichtfeldes des optischen Systems 20 liegt. Das Sichtfeld des optischen Systems 20 ist beispielsweise durch die dargestellten Grenzstrahlenbündel 70 definiert. Die Grenzstrahlen 70 definieren einen Öffnungswinkel des optischen Systems 20. Innerhalb dieses Öffnungswinkels in das optische System 20 einfallende Lichtstrahlen werden auf eine lichtempfindliche Fläche der Bildsensoren 52L, 52R abgebildet. Mit anderen Worten sind also innerhalb dieses Öffnungswinkels liegende Objekte im Objektraum 11 mittels des optischen Systems 20 erfassbar. Die Begrenzung des Öffnungswinkels oder, anders formuliert, die Definition der Grenzstrahlen 70 erfolgt beispielsweise durch in dem optischen System 20 vorhandene jedoch nicht dargestellte Blenden oder Menisken.
Das Material des ersten Teilprismas 60 und das Material der Beschichtung 65 auf der Lichtaustrittsfläche 64 des ersten Teilprismas 60 werden so gewählt, dass der Unterschied zwischen den Berechnungsindizes dieser beiden Materialien dazu führt, dass Lichtbündel von außerhalb des Sichtfeldes, also beispielsweise der dargestellte periphere Lichtstrahl 68, an der Lichtaustrittsfläche 64 des ersten Teilprismas 60 unter Totalreflexion aus dem Strahlengang herausreflektiert werden.
Die Lichtaustrittsfläche 64 des ersten Teilprismas 60 ist beispielsweise vollflächig mit der Beschichtung 65 versehen. Die Beschichtung 65 wird beispielsweise auf die Lichtaustrittsfläche 64 des ersten Teilprismas 60 aufgedampft. Anschließend können das erste Teilprisma 60 und das zweite Teilprisma 62 zu dem ersten Prisma 32 zusammengesetzt werden. Beispielsweise werden die beiden Teilprismen 60, 62 miteinander verkittet. Ganz allgemein kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Teilprismen 60, 62 vorgesehen sein. Ein Beispiel dafür ist die Verkittung der beiden Prismen 60, 62. Es ist also möglich, das erste und das zweite Teilprisma 60, 62 an der Lichtaustrittsfläche 64 des ersten Teilprismas 60 auf andere Weise dauerhaft miteinander zu verbinden, beispielsweise zu verkleben. Es ist insbesondere kein Luftspalt zwischen den beiden Teilprismen 60, 62 vorgesehen, um einen entsprechenden Sprung im Berechnungsindex entlang des optischen Pfades zu erzeugen. Dies hat fertigungstechnisch große Vorteile. Die Lichtaustrittsfläche 64 und eine Lichteintrittsfläche 72 des zweiten Teilprismas 62 sind also insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei die Beschichtung 65 zwischen den beiden Teilprismen 60, 62 vorhanden ist.
In einem Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems 20 eines Stereo-Videoendoskops 2 mit seitlicher Blickrichtung wird also das erste Prisma 32 aus einem ersten Teilprisma 60 und einem zweiten Teilprisma 62 aufgebaut. Dabei wird die Lichtaustrittsfläche 64 des ersten Teilprismas 60 gegenüber der optischen Achse 22 der distalen optischen Baugruppe 24 geneigt angeordnet. Vor der Montage wird diese Lichtaustrittsfläche 64 mit einer Beschichtung 65 versehen. Beispielsweise wird die Beschichtung 65 aufgedampft oder mittels Sputterdeposition aufgebracht. Anschließend werden das erste Teilprisma 60 und das zweite Teilprisma 62 dauerhaft, insbesondere stoffschlüssig, miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verkittet. Vorteilhaft ist somit ein Verkippen der beiden Teilprismen 60, 62 gegeneinander nicht möglich, wobei zuverlässig eine Totalreflexion unerwünschter Lichtstrahlen 68 an der Lichtaustrittsfläche 64, genauer an der Grenzfläche zwischen dem Körper des ersten Teilprismas 60 und der Beschichtung 65 stattfindet. Dabei befindet sich die Beschichtung 65 zwischen den beiden Teilprismen 60, 62.
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: erstes Teilprisma
62: zweites Teilprisma
64: Lichtaustrittsfläche
65: Beschichtung
66: Lot
68: Lichtstrahl
70: Grenzstrahlen
72: Lichteintrittsfläche
L: Längserstreckungsrichtung
α: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19736617 A1 [0005]

Claims

Optisches System (20) eines Stereo-Videoendoskops (2) mit seitlicher Blickrichtung, umfassend eine seitwärts blickende gemeinsame distale optische Baugruppe (24) und eine proximale optische Baugruppe (26), 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) dazu eingerichtet ist, aus einem Objektraum (11) einfallende Lichtbündel in den linken Linsensystemkanal (48L) und in den rechten Linsensystemkanal (48R) der proximalen optischen Baugruppe (26) einzukoppeln, wobei die distale optische Baugruppe (24) eine Umlenkprismengruppe (30) umfasst, die in Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend ein erstes Prisma (32) und ein zweites Prisma (34) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Prisma (32) aus einem ersten Teilprisma (60) und einem zweiten Teilprisma (62) aufgebaut ist, wobei eine Lichtaustrittsfläche (64) des ersten Teilprismas (60) gegenüber einer optischen Achse (22) der distalen optischen Baugruppe (24) geneigt ist und diese Lichtaustrittsfläche (64) mit einer Beschichtung (65) versehen ist.
Optisches System (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (65) einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als ein Brechungsindex eines Materials des ersten Teilprismas (60).
Optisches System (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der linke Linsensystemkanal (48L) einen linken Bildsensor (52L) und der rechte Linsensystemkanal (48R) einen rechten Bildsensor (52R) umfasst, wobei die distale und die proximale optische Baugruppe (24, 26) einen Strahlengang festlegen, so dass aus einem in dem Objektraum (11) gelegenen Sichtfeld einfallende Lichtbündel auf eine lichtempfindliche Fläche des linken und rechten Bildsensors (52L, 52R) abgebildet werden, wobei das Material des ersten Teilprismas (60) und ein Material der Beschichtung (65) so gewählt werden, dass ein Unterschied zwischen den Brechungsindizes dieser beiden Materialien dazu führt, dass Lichtbündel von außerhalb des Sichtfeldes an der Lichtaustrittsfläche (64) des ersten Teilprismas (60) unter Totalreflexion aus dem Strahlengang herausreflektiert werden.
Optisches System (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (64) des ersten Teilprismas (60) vollflächig mit der Beschichtung (65) versehen ist.
Optisches System (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (64) des ersten Teilprismas (60) mit einer Lichteintrittsfläche (72) des zweiten Teilprismas (62) verbunden ist, wobei die Beschichtung (65) zwischen den beiden Teilprismen (60, 62) vorhanden ist.
Optisches System (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame distale optische Baugruppe (24) in einer Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend eine Eintrittslinse (28), die Umlenkprismengruppe (30) und eine Austrittslinse (46) umfasst, wobei das erste Teilprisma (60) des ersten Prismas (32) eine senkrecht zu der optischen Achse (22) der distalen optischen Baugruppe (24) stehende erste Eintrittsseite (36) und die gegenüber der optischen Achse (22) geneigte und mit der Beschichtung (65) versehene Lichtaustrittsfläche (64) umfasst, und wobei das zweite Teilprisma (62) eine parallel zu der Lichtaustrittsfläche (64) orientierte Lichteintrittsfläche (72) und eine gegenüber der optischen Achse (22) geneigte erste Austrittsseite (38) umfasst, und wobei das zweite Prisma (34) eine parallel zu der ersten Austrittsseite (38) orientierte zweite Eintrittsseite (40), eine Reflexionsseite (42) und eine zweite Austrittsseite (44) umfasst.
Stereo-Videoendoskop (20) mit seitlicher Blickrichtung, gekennzeichnet durch ein optisches System (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems (20) eines Stereo-Videoendoskops (2) mit seitlicher Blickrichtung, umfassend eine seitwärts blickende gemeinsame distale optische Baugruppe (24) und eine proximale optische Baugruppe (26), 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) dazu eingerichtet ist, aus einem Objektraum (11) einfallende Lichtbündel in den linken Linsensystemkanal (48L) und in den rechten Linsensystemkanal (48R) der proximalen optischen Baugruppe (26) einzukoppeln, wobei die distale optische Baugruppe (24) eine Umlenkprismengruppe (30) umfasst, die in Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend ein erstes Prisma (32) und ein zweites Prisma (34) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Prisma (32) aus einem ersten Teilprisma (60) und einem zweiten Teilprisma (62) aufgebaut wird, wobei eine Lichtaustrittsfläche (64) des ersten Teilprismas (60) gegenüber einer optischen Achse (22) der distalen optischen Baugruppe (24) geneigt angeordnet wird und vor der Montage diese Lichtaustrittsfläche (64) mit einer Beschichtung (65) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (64) des ersten Teilprismas (60), insbesondere vollflächig, mit der Beschichtung (65) versehen und anschließend das erste Prisma (32) hergestellt wird, indem die beschichtete Lichtaustrittsfläche (64) des ersten Teilprismas (60) mit dem zweiten Teilprisma (62) dauerhaft verbunden wird, wobei die Beschichtung (65) zwischen den beiden Teilprismen (60, 62) vorhanden ist.