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Die Erfindung betrifft ein optisches System eines Endoskops, umfassend eine seitwärtsblickende distale optische Baugruppe und eine proximale optische Baugruppe, sowie ein Endoskop mit einem entsprechenden optischen System.
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In der Medizin werden Stereo-Videoendoskope eingesetzt, um einem behandelnden Arzt eine räumliche Darstellung des Körperinneren eines Patienten zu verschaffen. Dazu werden in ein optisches System des Endoskops einfallende Lichtbündel in zwei parallel verlaufenden und ausgebildeten Linsensystemkanälen geführt, welche die Lichtbündel auf zwei getrennte Bildsensoren abbilden. Auf diese Weise werden Bilder des betrachteten Bereichs unter leicht unterschiedlichen Blickwinkeln erfasst. Werden diese Bilder so betrachtet, dass jedes Auge jeweils das Bild oder die Bilder eines Linsensystemkanals wahrnimmt, beispielsweise mit Hilfe einer Shutterbrille, so entsteht ein räumlicher Eindruck des betrachteten Bereichs. Dies wird als Stereoskopie bezeichnet.
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Das aktuelle Produkt der Anmelderin wird unter der Bezeichnung „3D EndoEye“ vertrieben. Es besteht aus einer Afocal-A-Unit als gemeinsame Objektiveinheit und zwei B- und C-Units als identische Objektiveinheit und für jeweils den linken und rechten Linsensystemkanal. Die B- und C-Units haben einen relativ einfachen Aufbau aus wenigen Linsenbaugruppen.
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Ein solches Stereo-Videoendoskop ist beispielsweise in
DE 10 2013 215 422 A1 offenbart. Das darin offenbarte optische System umfasst eine seitwärts blickende distale optische Baugruppe und eine proximale optische Baugruppe, wobei die distale optische Baugruppe in einer Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend eine Eintrittslinse, eine optische Ablenkeinheit und eine als hohler positiver Meniskus ausgebildete Austrittslinse auf einer gemeinsamen optischen Achse umfasst, wobei die distale optische Baugruppe wenigstens abschnittsweise zwei gleichartige, parallel zueinander angeordnete rechte und linke Linsensystemkanäle mit jeweils einer eigenen optischen Achse aufweist, die jeweils in Lichteinfallsrichtung wenigstens eine erste Linse und eine Achromaten-Linsengruppe aufweisen. Gegenüber zuvor bekannten stereoskopischen optischen Systemen wurde hiermit die Integration einer seitlichen Blickrichtung ermöglicht, während zuvor bekannte Stereo-Videoendoskope nur einen Geradeausblick in die sogenannte 0°-Blickrichtung erlaubten.
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In
DE 10 2014 206 513 A1 ist weiter ein stereoskopisches Endoskopsystem für ein stereoskopisches Endoskop und ein entsprechendes stereoskopisches Endoskop offenbart. Dieses umfasst ein Hüllrohr, eine distal an einem Endoskopschaft im Hüllrohr angeordnete oder anzuordnende seitwärts blickende Objektiveinheit und eine im Hüllrohr proximal der Objektiveinheit angeordnete oder anzuordnende stereoskopische Sensoreinheit, wobei die Objektiveinheit ein Gehäuse aufweist, in dem ein planes Eintrittsfenster, eine Eintrittslinse und eine Austrittslinse angeordnet sind, wobei die Sensoreinheit ein Gehäuse aufweist, in dem zwei Bildsensoren angeordnet sind, wobei die Objektiveinheit ein planes Austrittsfenster und die Sensoreinheit ein planes Eintrittsfenster aufweist, die im zusammengesetzten Zustand im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Dieses stereoskopische Endoskopsystem bietet die Möglichkeit, bausatzartig die stereoskopische Sensoreinheit, die auch als „BC-Unit“ bezeichnet wird und sehr kostenintensiv ist, mit unterschiedlichen Objektiveinheiten, sogenannten „A-Units“ zu kombinieren, so dass die Herstellung und Lagerhaltung stark vereinfacht und reduziert wird.
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Mit jeder neuen Generation der Bildsensoren nimmt die Auflösung zu, die Pixelanzahl wird immer größer und gleichzeitig die Pixelgröße immer kleiner. Eine höhere Auflösung verlangt möglichst schwächere Beugungseffekte bei der optischen Abbildung, bzw. möglichst kleinere Durchmesser der sogenannten Airy-Scheiben, wobei der Durchmesser umgekehrt proportional zur Größe des Blendendurchmessers ist. Ein größerer Blendendurchmesser führt allerdings zu einer Verkürzung der Schärfentiefe des optischen Systems.
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Eine Lösung hierzu ist, die Standardschärfentiefe in zwei Bereiche für den Nahbereich und den Fernbereich zu unterteilen. Zu diesem Zweck wird in die BC-Units jeweils ein Zoom-Element eingeführt, um jeweils für Nah- und Fernbereiche zu fokussieren. Damit die optische Performanz vergleichbar bleibt, wird die Struktur bzw. das Linsensystem der BC-Units deutlich komplizierter, und zwar aufgrund der gegenseitigen Kompensation von mehr Linsengruppen. Das Zoom-Element verlangt sehr präzises Mechanikdesign für seine Bewegung.
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Ein Beispiel eines entsprechend eingerichteten optischen Systems eines Endoskops ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung der Anmelderin
DE 10 2017 123 896 A1 dargestellt. Darin sind optische Systeme für Stereo-Videoendoskope gezeigt, in denen die proximale optische Baueinheit bzw. die „BC-Unit“ in den parallelen Linsensystemkanälen verschiebbare Linsen umfasst mit denen der Fokuspunkt des optischen Systems verschoben werden kann, wobei insbesondere aufgrund möglicherweise unterschiedlicher Längen der optischen Pfade im linken und rechten optischen Pfad auch eine unterschiedliche Positionierung eingestellt wird, um zu einem gemeinsamen Fokus zu gelangen. Diese Lösung ist konstruktiv sehr aufwändig und erfordert aufgrund des Mangels an verfügbaren Platz sehr kleine Aktuatoren für die beiden Teile der proximalen optischen Baueinheit als auch eine sehr große Stabilität und Genauigkeit der Positionierung der entsprechenden Linsen, um das Auftreten optischer Fehler zu vermeiden oder gering zu halten.
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Eine weitere Limitierung dieses Designs liegt in der Anwendung eines solchen optischen Systems für die Laparoskopie mit einem fluoreszierenden Farbstoff, beispielsweise Indocyaningrün (ICG) im nahen Infrarotbereich. Die meisten aktuellen optischen Systeme wie das „3D EndoEye“ der Anmelderin sind für den sichtbaren Wellenlängenbereich optimiert. Im nahen Infrarot schlagen sich optische Aberrationen, hauptsächlich aufgrund des Farbfehlers, negativ auf die optische Performanz nieder.
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Optische Systeme mit axial verschiebbaren optischen Elementen sind in verschiedenen Versionen bekannt. So ist beispielsweise aus
US 2005/0119529 A1 ein optisches System eines geradeaus oder seitwärts blickenden Endoskops bekannt, das ein System aus Umkehrsätzen mit Stablinsen umfasst, die das distal einfallende Licht in eine proximale Gruppe von optischen Elementen weiterleitet. Diese proximale Gruppe umfasst in einem Ausführungsbeispiel eine relativ distal angeordnete Stablinse, innerhalb derer von dem dazu distal angeordneten Umkehrlinsensatz ein Bild erzeugt wird. Es folgt eine Gruppe von drei Linsen und ein proximal angeordnetes Prisma. Zur Anpassung und Einstellung der optischen Eigenschaften des optischen Systems können in der proximalen Gruppe die drei Linsen als Gruppe zusammen mit der Stablinse oder auch ohne die Stablinse axial verschoben werden. Außerdem können Linsen der Gruppe von drei Linsen auch transversal verschoben werden. Die Verschiebung der drei Linsen bewirkt eine Veränderung der Vergrößerung des Bildes.
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US 2007/0058249 A1 offenbart medizinische stereoskopische Beobachtungssysteme, vor allem Stereomikroskope, aber auch endoskopische Systeme. In einem Ausführungsbeispiel eines medizinischen Stereobeobachtungssystems wird bei einer Veränderung des Vergrößerungsmaßstabes eine Parallaxenanpassung vorgenommen, um die Parallaxe in einem für den menschlichen Stereoeindruck passenden Rahmen zu halten. Dafür wird die Vergrößerung des Abbildes zusammen mit dem Kreuzungspunkt der optischen Achsen durch eine Verschiebung von Linsen in den optischen Systemen für das linke und das rechte Auge bei gleichzeitiger Veränderung des Ausrichtungswinkels zwischen den beiden Strahlengängen verändert.
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DE 29 19 678 A1 betrifft ein Operationsmikroskop mit kleinem Arbeitsabstand, für welches stabförmige Wechselobjektive mit kurzer Brennweite vorgesehen sind und welches stereoskopisches Sehen ermöglicht. In diesem Fall enthalten die beiden Okulare jeweils eine axial verstellbare Linse zur Bildvergrößerung, während verschiedene weitere Linsenkombinationen zum Wechseln des Abbildungsmaßstabes in festen, größeren Schritten eingeschwenkt werden können.
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In
US 2018/0084199 A1 ist ein optisches Zoomsystem für eine optoelektronische Vorrichtung offenbart, beispielsweise ein Endoskop, das am proximalen Ende eines Endoskopschafts einen Bildsensor aufweist. Um einen optischen Zoom und einen optischen Fokus bei kleiner Bauform zu realisieren, wird vorgeschlagen, das Zoom-System distal zu platzieren, in Lichteinfallsrichtung vor anderen, größeren, Linsengruppen, die den Lichtstrahl formen. Eine erste Linsengruppe umfasst wenigstens eine verformbare Linse, während eine zweite Linsengruppe axial gegenüber der ersten Linsengruppe verschiebbar ist. Dabei sorgt die Verschiebung der zweiten Linsengruppe hauptsächlich für die Vergrößerung, während die Verformung der verformbaren Linse hauptsächlich für die Veränderung des Vergrößerungsmaßstabs (Zoom) sorgt.
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In
WO 2014/012103 A1 ist ein stereoendoskopisches System offenbart, bei dem die Arbeitslängen, Durchmesser und Blickrichtungen veränderbar sind. Jedes Stereoendoskop umfasst zwei identische optische Systeme, wobei jedes Paar von korrespondierenden Komponenten permanent in einer seitlichen Orientierung miteinander gekoppelt ist. Jede der korrespondierenden Komponenten der beiden identischen optischen Systeme ist mit dem jeweils anderen gepaart und bewegt sich relativ zum anderen, um den Fokus des optischen Systems einzustellen, der dann festgesetzt wird, um eine neue singuläre optische Komponente zu bilden. Die axiale Verschiebung und Einstellung der Linsen erfolgt während der Herstellung der Objektive. Die absolute Position wird nach der Einstellung fixiert und ist danach nicht mehr veränderbar. Die Fokussierung im Betrieb erfolgt durch eine Verschiebung der Bildsensoren.
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DE 10 2016 212 470 A1 betrifft ein optisches System eines Stereo-Videoendoskops mit verbesserter 3D-Darstellung. Das optische System umfasst eine distale und eine proximale optische Baugruppe, wobei die proximale optische Baugruppe einen linken Linsensystemkanal mit einer linken optischen Achse und einen rechten Linsensystemkanal mit einer rechten optischen Achse umfasst. Der linke und der rechte Linsensystemkanal sind gleichartig aufgebaut und die linke und die rechte optische Achse parallel zueinander ausgerichtet. Die distale optische Baugruppe legt einen Achsenkreuzungspunkt im Objektraum fest, in dem sich die Blickachsen der linken und rechten Linsensystemkanäle schneiden. Die distale optische Baugruppe ist eine optische Baugruppe mit veränderlicher Brennweite, wobei eine Veränderung der Brennweite der distalen optischen Baugruppe eine Verschiebung des Achsenkreuzungspunkts im Objektraum in einer Richtung entlang einer optischen Achse der distalen optischen Baugruppe bewirkt. Durch Verschiebung einer Linsengruppe in jedem der beiden optischen Kanäle lässt sich die Ebene, in welcher Objekte scharf auf den Sensor abgebildet werden, verschieben.
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisches System für ein Endoskop sowie ein entsprechendes Endoskop zur Verfügung zu stellen, bei denen bei gleichzeitig hoher optischer Performanz eine Einstellbarkeit für den Fernbereich und den Nahbereich gegeben ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein optisches System eines Endoskops gelöst, das eine seitwärtsblickende distale optische Baugruppe und eine proximale optische Baugruppe umfasst und dadurch weitergebildet ist, dass zwischen der distalen optischen Baugruppe und der proximalen optischen Baugruppe eine optische Strahlaufweitungsgruppe aus zwei Linsen angeordnet ist, deren axialer Abstand innerhalb der Strahlaufweitungsgruppe veränderbar ist, wobei die erste Linse als Aufweitungslinse und die zweite Linse als fokussierende Linse ausgebildet ist.
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Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, dass die bislang bereits verwendeten einfachen A- und BC-Units im Wesentlichen weiterverwendet werden können, und dabei die BC-Units von der Aufgabe des Fokussierens entlastet werden, die sie unnötig kompliziert macht. Die optische Strahlaufweitungsgruppe, die zwischen der distalen optischen Baugruppe und der proximalen optischen Baugruppe eingeführt wird, kann dabei sehr einfach aufgebaut sein. Der Strahlengang nach dieser Strahlaufweitung ist nahezu oder im Wesentlichen parallel. Mithilfe der Abstandsänderung zwischen den Linsen des Strahlaufweitung kann durch die A-Unit auf verschiedene Positionen im Nah- oder Fernbereich fokussiert werden. Eine geringfügig veränderte Strahlaufweitung an dieser Stelle verändert den Fokuspunkt sehr effizient und ohne nennenswerten Einfluss auf die Farbfehler des Systems, die durch die im System gegebenenfalls bereits vorhandenen Achromaten in zufriedenstellender Weise korrigiert werden können.
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Ein konstruktiver Vorteil dieser Lösung ist, dass der mechanische Bewegungsfehler bei der Linsenverschiebung an dieser Stelle nur leichte Änderungen des Fokuspunktes vor der A-Unit verursacht und deutlich geringere negative Wirkungen auf die Bildqualität hat als Bewegungsfehler in einem Zoom-Element in der BC-Unit bzw. proximalen optischen Baugruppe. Speziell auch für den benachbarten nahen Infrarotbereich sind auf diese Weise auch die optischen Farbfehler handhabbar und korrigierbar.
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Je nachdem, welche Art von Aktuator für die Bewegung einer oder beider Linsen der Strahlaufweitungsgruppe gewählt wird, können die Linse oder die Linsen in Stufen oder stufenlos verstellt werden, wobei im letzteren Fall auch eine kontinuierliche Einstellung der Tiefenschärfe zwischen dem Nahbereich und dem Fernbereich möglich ist. Im ersteren Fall kann beispielsweise ein Schalt-Aktuator verwendet werden, der zwei stabile Positionen aufweist. Die entsprechenden stabilen Positionen können so gewählt werden, dass die Optik des optischen Systems für diese Positionen optimiert ist.
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Vorzugsweise weisen die Linsen der optischen Strahlaufweitungsgruppe jeweils eine geringe Brechkraft auf, insbesondere eine Brechkraft, die weniger als 10%, insbesondere weniger als 5%, der Brechkraft des gesamten optischen Systems beträgt. Die geringe Brechkraft geht auch mit geringen Farbfehlern einher.
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Vorteilhafterweise ist oder sind ein oder mehrere Aktuatoren zur Verschiebung einer oder mehrerer Linsen der optischen Strahlaufweitungsgruppe umfasst. Hierbei handelt es sich beispielsweise um stufenlos betätigte Aktuatoren oder um Aktuatoren mit Vorzugsstellungen. Ein Beispiel für entsprechend einzusetzende Aktuatoren sind Piezo-Aktuatoren oder elektromechanische Aktuatoren.
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In einer Ausführungsform umfasst die distale optische Baugruppe in einer Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgend und auf einer gemeinsamen optischen Achse liegend wenigstens eine Eintrittslinse, eine optische Ablenkeinheit und eine, insbesondere als hohler positiver Meniskus ausgebildete, Austrittslinse, wobei die Eintrittslinse und die Ablenkeinheit axial fixiert angeordnet sind und die Austrittslinse axial fixiert ist oder zur Einstellung einer Fokusposition in axialer Richtung beweglich angeordnet ist. Die Alternative einer axial beweglichen Austrittslinse ist insbesondere zur Feineinstellung für den Fall vorteilhaft, wenn die Strahlaufweitungsgruppe fixe Einstellungen bzw. Positionen für den Nahbereich und den Fernbereich hat und nicht in Zwischenpositionen verbracht werden kann.
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In einer Ausführungsform handelt es sich um ein optisches System eines Stereo-Endoskops, bei dem die proximale optische Baugruppe wenigstens abschnittsweise zwei gleichartige, parallel zueinander angeordnete rechte und linke Linsensystemkanäle mit jeweils einer eigenen optischen Achse aufweist, die jeweils in Lichteinfallsrichtung wenigstens eine erste Linse oder Linsengruppe und eine Achromaten-Linsengruppe aufweisen, welche axial fixiert angeordnet sind. In diesem Fall ist vorteilhafterweise die Eintrittslinse als erhabener negativer Meniskus ausgebildet. Diese Ausbildung der Eintrittslinse hat sich optisch als vorteilhaft herausgestellt.
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Die proximale optische Baugruppe umfasst in Ausführungsformen einen Bildsensor oder zwei Bildsensoren. Auch im Falle eines Stereo-Videoendoskops kann ein großer Bildsensor anstelle von zwei kleineren Bildsensoren verwendet werden, wobei die parallelen Linsensystemkanäle dann zwei getrennte Bereiche des großen Bildsensors beleuchten, die dann getrennt voneinander in der weiteren Bildbearbeitung verarbeitet und behandelt werden.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein Endoskop, umfassend ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes optisches System, gelöst. Es weist daher die gleichen Merkmale, Eigenschaften und Vorteile auf wie das erfindungsgemäße optische System. In Ausführungsformen handelt es sich um ein Videoendoskop und/oder um ein Stereo-Endoskop. Ein Stereo-Videoendoskop ist somit mit umfasst.
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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.
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein bekanntes optisches System eines Endoskops,
- 2 eine schematische Darstellung des Konzepts des Fokusbereichs eines optischen Systems,
- 3 eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein weiteres bekanntes optisches System eines Endoskops,
- 4 eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein erfindungsgemäßes optisches System eines Endoskops und
- 5 eine schematische Detaildarstellung der Wirkungsweise einer erfindungsgemäß eingesetzten Strahlaufweitungsgruppe.
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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.
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In
1 ist ein bekanntes optisches System
210 eines Endoskops im Querschnitt schematisch dargestellt. Das optische System
210 ist in einem Außenrohr
14 eines Endoskopschafts
12 angeordnet, dessen distaler Bereich dargestellt ist. Bei diesem optischen System
210 handelt es sich im Wesentlichen um ein optisches System, wie es in dem „3D EndoEye“ der Anmelderin verwendet wird und in
DE 10 2013 215 422 A1 beschrieben ist. Das optische System
210 umfasst hinter einem mit dem Außenrohr
14 verbundenen Eintrittsfenster
22 eine auch als „A-Unit bezeichnete“ distale optische Baugruppe
220 sowie eine proximale optische Baugruppe
240. Die distale optische Baugruppe
220 umfasst in der Richtung des Lichteinfalls eine Eintrittslinse
24, gefolgt von Umlenkprismen
26,
28, welche das von schräg seitlich einfallende Licht in die Richtung des (nicht dargestellten) Endoskopschafts umlenken. Auf diese Umlenkeinheit mit den Umlenkprismen
26,
28 folgt eine Austrittslinse
30.
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Die Umlenkeinheit mit den Umlenkprismen 26, 28 ist um die Längsachse des Endoskopschafts rotierbar angeordnet, so dass bei festgelegtem Polarwinkel des zentralen Blickwinkels der Azimutwinkel frei verstellbar ist. Zusammen mit der Umlenkeinheit drehen sich auch die Eintrittslinse 24 und die Austrittslinse 30, die relativ zu den Umlenkprismen 26, 28 ortsfest sind.
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Die proximale optische Baugruppe 240 ist ein Beispiel einer sogenannten „BC-Unit“, welche in diesem Fall zwei zueinander parallele Linsensystemkanäle mit ortsfesten Blenden, Linsengruppen und Bildsensoren aufweist. Eingangs der proximalen optischen Baugruppe 240 befinden sich zwei Blenden 32, 34. Diese Blendenstruktur ermöglicht den weiteren Verlauf des optischen Strahlengangs mit zwei parallelen Strahlengängen 42, 44 für das linke und rechte Bild eines Stereoendoskops bzw. Stereo-Videoendoskops. Die Linsengruppen der beiden Linsensystemkanäle umfassen jeweils eine erste Linse 46, 48 oder Linsengruppe, gefolgt von einer Achromaten-Linsengruppe 50, 52 und einem Bildsensor 54, 56. Hierbei handelt es sich um ein sehr einfaches optisches System, welches den Vorteil sehr geringer Abbildungsfehler hat. Die beiden Linsensystemkanäle der proximalen optischen Baugruppe 240 sind identisch zueinander aufgebaut.
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Das optische System 210 hat keine axial verschiebbaren optischen Elemente und somit einen einzigen festgelegten Fokuspunkt. Der Fokuspunkt lässt sich somit, analog einem Objektiv mit Festbrennweite, nicht verschieben.
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In 2 ist das Konzept des Fokusbereichs eines optischen Systems schematisch vereinfacht dargestellt. Im obersten Bereich des Bildes ist der Standard-Schärfentiefenbereich 100 dargestellt, mit dem Nahpunkt 104 und dem Fernpunkt 106. Die sich im Fokuspunkt 102 kreuzenden Linien stellen stark thematisiert und vereinfacht die Größe der sogenannten Airy-Scheibe in der Ebene des Bildsensors des optischen Systems dar. Gut zu erkennen ist, dass die Größe der Airy-Scheibe mit zunehmendem Abstand vom Fokuspunkt 102 zunimmt. In realen Optiken ist die Größe der Airy-Scheibe, also die Größe der Abbildung eines punktförmigen Objekts, auf Sensorebene nicht punktförmig, sondern hat immer eine gewisse minimale Ausdehnung. Ferner ist die erreichbare Bildauflösung auch durch die verfügbare Pixelgröße begrenzt.
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Im unteren Teil der 2 ist die Situation für ein optisches System dargestellt, welches durch Umschaltung von einem Nahbereich in einen Fernbereich hin und her geschaltet werden kann. Der Schärfentiefenbereich 110 im Nahbereich überlappt ein wenig mit dem Schärfentiefenbereich 112 im Fernbereich, wobei im Fernbereich der Fokuspunkt 102' in einem ferneren Bereich liegt als der Fokuspunkt 102 im Ausgangsfall, und der Fokuspunkt 102" im Nahbereich näher liegt als der Fokuspunkt 102 im Ausgangsfall. Aufgrund der veränderten Optik kreuzen sich die Linien, die die Airy-Scheibe begrenzen, in den beiden Nahbereichs- und Fernbereichseinstellungen unter einem größeren Winkel als im Ausgangsfall. Dies bedeutet auch, dass der jeweilige scharf abgebildete Bereich schmaler ist als bei der Ausgangsoptik.
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3 zeigt ein weiteres Beispiel eines bekannten optischen Systems 310 eines Endoskops in einer Querschnittsdarstellung, wobei die Begrenzungen der distalen optischen Baugruppe 320 und der proximalen optischen Baugruppe 340 nicht gezeigt sind. Diese werden durch geschweifte Klammern angedeutet. Die in der distalen optischen Baugruppe 320 verwendeten optischen Elemente sind im Wesentlichen die gleichen wie in der distalen optischen Baugruppe 220 des Beispiels aus 1, wobei in diesem Fall deutlicher erkennbar ist, dass das Umlenkprisma 26 auch aus zwei Prismen bestehen kann. Das Eintrittsfenster 22 ist in diesem Beispiel nicht plan, sondern gebogen ausgeführt.
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Ein Unterschied findet sich in der proximalen optischen Baugruppe 340, der BC-Unit, welche optisch komplizierter aufgebaut ist als die proximale optische Baugruppe 240 bzw. BC-Unit des Beispiels der 1. In diesem Fall umfassen die zueinander parallelen Linsensystemkanäle 42, 44 nach der ersten Linse bzw. Linsengruppe 46, 48 eine Mehrzahl von Linsengruppen, die das Licht zu den Bildsensoren 54, 56 weiterleiten. Diese kompliziertere Optik ist notwendig, weil die ersten Linsen 46, 48 axial verschiebbare sind, um den Fokuspunkt zu verändern. Dies kann parallel zueinander erfolgen, oder auch getrennt voneinander.
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Die erhöhte optische Komplexität kommt daher, dass durch die Ermöglichung des optischen Zooms die Optik nicht mehr auf einen einzelnen Fokuspunkt optimiert werden kann, sondern auf mehrere Fokuspunkt optimiert werden muss, damit eine akzeptable Abbildungsleistung im vollen Fokussierbereich gewährleistet ist. Dies erfordert eine höhere Anzahl von optischen Elementen, bedingt aber auch, dass wenig Platz für Aktuatoren vorhanden ist, mit denen die axial verschiebbaren optischen Elemente verschoben werden können. Ferner müssen zwei parallele optische Elemente, nämlich die ersten Linsengruppen 46, 48, beide verschoben werden, was den Einsatz einer aufwändigen Mechanik und Aktuatorik erfordert. Daneben wird auch eine sehr große Stabilität und Genauigkeit der Positionierung der entsprechenden Linsen verlangt, um das Auftreten optischer Fehler zu vermeiden oder gering zu halten.
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Aufgrund der Komplexität des optischen Systems 310, welches dahingehend optimiert ist, eine gute Abbildungsleistung für den gesamten Fokusbereich zu gewährleisten, sind die Möglichkeiten, Farbfehler zu korrigieren, begrenzt. Das in 3 gezeigte optische System 310 ist daher für den Infrarotbereich, wie er in der Laparoskopie unter Verwendung fluoreszierender Farbstoffe verwendet wird, nicht optimiert.
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4 zeigt schematisch im Querschnitt ein erfindungsgemäßes optisches System 10 eines Endoskops, wobei wiederum die distalen und proximalen optischen Baugruppen 20, 40 mit geschweiften Klammern angedeutet sind. Die proximale optische Baugruppe 40 entspricht wiederum der proximalen optischen Baugruppe 240 der 1, wobei einzelne Details etwas genauer dargestellt sind, wie beispielsweise die Tatsache, dass die ersten Linsengruppen 46, 48 aus jeweils zwei Linsen zusammengesetzt sind und auch die Achromaten 50, 52 aufgrund des größeren Maßstabs etwas detaillierter dargestellt sind. Wesentlich ist, dass die optischen Elemente der proximalen optischen Baugruppe 40 in 4 gemäß der Erfindung eine ähnliche reduzierte Komplexität gegenüber derjenigen aus der 3 aufweisen wie diejenige aus 1.
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Im Unterschied zu den vorherigen bekannten Beispielen weist das optische System 10 der 4 gemäß der Erfindung zwischen der distalen optischen Baugruppe 20 und der proximalen optischen Baugruppe 40 eine optische Strahlaufweitungsgruppe 60 auf, welche für die beiden linken und rechten Bildkanäle zweigeteilt ist und in jedem der beiden Teile für den linken und rechten Bildkanal jeweils einen Strahlaufweiter 62, 64 mit jeweils ersten Linsen 66, 68 und zweiten Linsen 70, 72 aufweisen. Auch die Strahlaufweiter 62, 64 können jeweils oder im Zusammenhang miteinander als Strahlaufweitungsgruppe 60 ausgebildet sein.
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Durch die Einfügung der optischen Strahlaufweitungsgruppe 60 ist der Abstand zwischen der Austrittslinse 30 der distalen optischen Baugruppe 20 und den ersten Linsengruppen 46, 48 etwas größer als in dem Stand der Technik gemäß 1. Die Strahlaufweiter 62, 64 dienen dazu, den Strahlengang gegenüber dem Strahlengang aus 1 in den Linsensystemkanälen der proximalen optischen Baugruppe 40 aufzuweiten. Vorzugsweise wird dabei der Austrittswinkel wenig oder nicht verändert. Zum Aufweiten des Strahlengangs ist die jeweilige erste Linse 66, 68 als Aufweitungslinse ausgebildet und die jeweilige zweite Linse 70, 72 als fokussierende Linse. Die Effekte des Aufweitens und des Fokussierens können sich kompensieren, jedoch kann auch entweder das Aufweiten oder das nachfolgende Fokussieren überwiegen. Beides hat Auswirkungen auf das gesamte Optikdesign des Gesamtsystems. Das Ausmaß der Aufweitung kann durch eine Veränderung des Abstands zwischen den jeweiligen ersten Linsen 66, 68 und den zweiten Linsen 70, 72 in den Strahlaufweitern 62, 64 eingestellt werden, was eine Verschiebung des Fokuspunkts 102 zur Folge hat.
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Die ersten Linsen 66, 68 und die zweiten Linsen 70, 72 haben vorzugsweise jeweils eine geringe Brechkraft, wodurch optische Abbildungsfehler geringgehalten werden. Die Restfehler, hauptsächlich axiale Farbfehler zwischen dem sichtbaren Wellenlängenbereich und dem nahen Infrarotbereich, die durch die distale optische Baugruppe 20 und die Linsensystemkanäle 42, 44 der proximalen optischen Baugruppe 40 nicht kompensiert werden könnten, reichen zur Kompensation der durch die Aufweiter 62, 64 erzeugten zusätzlichen dispersiven Effekte im Allgemeinen aus. Dies bedeutet, dass das erfindungsgemäße optische System 10 auch im nahen Infrarotbereich optimiert ist, so dass der Einsatzbereich der Laparoskopie mit fluoreszierenden Farbstoffen erschlossen wird.
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In 5 ist grob schematisch im Detail die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Einsatzes eines Strahlaufweiters 62 in einem der beiden Linsensystemkanäle des optischen Systems 10 aus 4 dargestellt. Die distale optische Baugruppe 20 ist als „black box“ dargestellt, während die beiden Linsen 66, 70 des Strahlaufweiters 62 schematisch als Streulinse 66 und Sammellinse 70 kenntlich gemacht sind. In dem in 5 gezeigten Beispiel ist die erste Linse 66 axial verschiebbar, dargestellt durch den horizontalen Doppelpfeil. Diese Verschiebung sorgt dafür, dass der Abstand zwischen der Streulinse 66 und der Sammellinse 70 verändert wird und somit das Ausmaß der Aufweitung sich ändert. Gleichzeitig verschiebt sich damit der Fokuspunkt von einem Fokuspunkt 102' im Fernbereich zu einem Fokuspunkt 102" im Nahbereich. Schematisch dargestellt, verlässt die Einhüllende des Strahlenbündels den Strahlaufweiter 62 im Wesentlichen parallel. Ebenfalls erkennbar ist, dass der Strahlaufweiter 62 über eine Blende 63 eingangsseitig verfügen kann, welche in dem in 5 nicht dargestellten zweiten Strahlaufweiter 64 dann in gleicher Art ausgebildet ist.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Optisches System
- 12
- Endoskopschaft
- 14
- Außenrohr
- 20
- distale optische Baugruppe
- 22
- Eintrittsfenster
- 24
- Eintrittslinse
- 26, 28
- Umlenkprisma
- 30
- Austrittslinse
- 32, 34
- Blende
- 40
- proximale optische Baugruppe(n)
- 42, 44
- parallele Linsensystemkanäle
- 46, 48
- erste Linse oder Linsengruppe
- 50, 52
- Achromaten-Linsengruppe
- 54, 56
- Bildsensor
- 60
- optische Strahlaufweitungsgruppe
- 62, 64
- Strahlaufweiter
- 63
- Blende
- 66, 68
- erste Linse
- 70, 72
- zweite Linse
- 100
- Standard-Schärfentiefenbereich
- 102
- Fokuspunkt
- 102'
- Fokuspunkt im Fernbereich
- 102"
- Fokuspunkt im Nahbereich
- 104
- Nahpunkt
- 106
- Fernpunkt
- 110
- Schärfentiefenbereich im Nahbereich
- 112
- Schärfentiefenbereich im Fernbereich
- 210
- Optisches System
- 220
- distale optische Baugruppe
- 240
- proximale optische Baugruppe(n)
- 310
- Optisches System
- 320
- distale optische Baugruppe
- 340
- proximale optische Baugruppe(n)
