DE102022124306A1

DE102022124306A1 - Visualisierungssystem mit optimiertem Umlenkprisma

Info

Publication number: DE102022124306A1
Application number: DE102022124306.0A
Authority: DE
Inventors: Hannes Joseph; David Hensle
Original assignee: Schoelly Fiberoptic GmbH
Current assignee: Schoelly Fiberoptic GmbH
Priority date: 2022-09-21
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2024-03-21
Also published as: US20240094617A1; CN117741946A

Abstract

Zur verbesserten Bildgebung in einem Visualisierungssystem (1) mit zwei voneinander axial in Bezug auf eine Längsachse (27) des Visualisierungssystems (1) beabstandeten Bildsensoren (2a) und (2b), die einen jeweiligen Abbildungsstrahlengang (4a) beziehungsweise (4b) sensorisch erfassen, der von einer zugeordneten, einem Umlenk-Prisma (3) vorgelagerten, Abbildungsoptik (31) erzeugt wird, vorgeschlagen, dass eine Bauhöhe des Prismas (3) suboptimal ausgestaltet wird, um so Abbildungsfehler bei Verwendung einer wellenlängenselektiven ersten Spiegelfläche (8) des Prismas (3) abmildern zu können. Zudem wird alternativ oder ergänzend vorgeschlagen, mittels der Abbildungsoptik (31) zwei optische Kanäle (16a) und (16b) auszubilden, durch die die Bildsensoren (2a) und (2b), vorzugsweise in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, jeweils Bilder eines mit dem Visualisierungssystem (1) beobachteten Objekts (37) aus unterschiedlichen Perspektiven erfassen können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Visualisierungssystem, welches insbesondere als ein Chip-in-Tip(CIT)-Endoskop ausgestaltet sein kann, also insbesondere als ein Endoskop mit wenigstens einem Bildsensor, der in einem distalen Endbereich eines Endoskopschafts des Endoskops angeordnet ist. Das Visualisierungssystem umfasst einen proximalen Bildsensor, einen distalen Bildsensor und wenigstens ein Prisma. Hierbei lenkt das Prisma einen ersten Abbildungsstrahlengang auf den proximalen Bildsensor und einen zweiten Abbildungsstrahlengang auf den distalen Bildsensor.
Derartige Visualisierungssysteme sind in Form von Endoskopen vorbekannt, bei denen die beiden Bildsensoren in einem distalen Endbereich des Endoskops angeordnet sind. Hierbei werden die Bildsensoren typischerweise dafür eingesetzt, unterschiedliche Wellenlängenbereiche (etwa Weißlicht und Infrarotlicht) zu detektieren, wobei diese spektralen Komponenten von einer Spiegelfläche im Prisma separiert und so auf den jeweiligen Bildsensor gelenkt werden. Ferner ist es auch bekannt, dichroitische Spiegel für eine solche wellenlängenselektive Umlenkung zu verwenden.
Bei einem solchen Ansatz wird typischerweise dem Umlenkprisma eine Abbildungsoptik vorgeschalten, die eine bestimmte Fokusebene definiert, die mit den aktiven Sensorflächen der Bildsensoren übereinstimmen muss, damit eine scharfe Abbildung erhalten werden kann. Daher werden bei diesem Ansatz typischerweise beide Abbildungsstrahlengänge, die durch das Prisma verlaufen, so ausgelegt, dass diese die gewünschte optische Pfadlänge bieten und zwar unter Berücksichtigung der chromatischen Längsaberration (die sich auf die Lage der jeweiligen Fokusebene, je nach Wellenlängenbereich, auswirkt), sodass die jeweiligen Fokusebenen auf dem jeweiligen Sensor zu liegen kommen.
Ausgehend von diesem vorbekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Visualisierungssystem bereitzustellen, dass bei kleiner Baugröße, insbesondere in Bezug auf die Maße des Prismas, eine hohe Abbildungsqualität auf jedem der beiden Bildsensoren ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß bei einem Visualisierungssystem, insbesondere einem Endoskop, die Merkmale von Anspruch 1 vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einem Visualisierungssystem der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass der zweite Abbildungsstrahlengang, nach Eintritt in das wenigstens eine Prisma durch eine distale Eintrittsfläche des Prismas, mittels einer ersten Reflexion an einer wellenlängenselektiven ersten Spiegelfläche des Prismas umgelenkt wird und aus einer distalen Austrittsfläche des Prismas, welche an einer Grundseite des wenigstens einen Prismas ausgebildet ist, aus dem wenigstens einen Prisma austritt. Ferner ist vorgesehen, dass für ein Verhältnis einer Länge L1 der Grundseite des Prismas und einer Höhe H1 der Eintrittsfläche gilt: L1/H1 > 1,5.
Ein solches Visualisierungssystem kann zum Beispiel in der Medizin oder für industrielle Anwendungen, etwa bei der Inspektion schwer zugänglicher Hohlräume, eingesetzt werden. Bei Ausbildung des Visualisierungssystems als Chip-in-Tip(CIT)-Endoskop (bei welchem also der jeweilige Bildsensor in der Endoskopspitze angeordnet ist), können die beiden Bildsensoren bevorzugt in einem distalen Endbereich des Endoskops angeordnet sein.
Die Länge L1 der Grundseite des Prismas kann dabei gerade dem minimalen Abstand zwischen der ersten Spiegelfläche und der Eintrittsfläche entsprechen, gemessen entlang der Grundseite (die bevorzugt parallel zur Längsachse des Endoskops / zur optischen Achse des ersten Abbildungsstrahlengangs verlaufen kann). Die Gesamtlänge L2 des Prismas kann hingegen dem maximalen Abstand zwischen der ersten Spiegelfläche und der Eintrittsfläche entsprechen (gemessen entlang der besagten optischen Achse des ersten Abbildungsstrahlengangs).
Die Höhe H1 kann hier bevorzugt senkrecht zur Grundseite und senkrecht zu einer optischen Achse des ersten Abbildungsstrahlengangs gemessen werden. Zudem kann die distale Austrittsfläche sogar direkt an die distale Eintrittsfläche angrenzen und/oder senkrecht zu dieser verlaufen. Besonders bevorzugt sind Ausgestaltungen des Prismas, bei denen gilt: L1/H1 > 2,0 oder sogar L1/H1 > 2,2.
Bei der Ausgestaltung des Prismas sind vielfältige Randbedingungen zu beachten: Insbesondere soll die Größe des Eintrittsfensters für einen gegebenen Bauraum möglichst groß sein, um eine gute Ausleuchtung der Bildsensoren zu ermöglichen bzw. große und damit auflösungsstarke Bildsensoren verwenden zu können. Gleichzeitig soll das Prisma in seiner Bauhöhe möglichst klein bleiben, um auch in engen Bauräumen verwendet werden zu können. Schließlich sollte das Volumen des Prismas insgesamt klein bleiben, damit es kostengünstig fertigbar ist. Dies trifft insbesondere auf die Gesamthöhe H1 + H2 zu, die das Prisma quer zur optischen Achse des ersten Abbildungsstrahlengangs ausbildet, wobei H2 die Differenz zwischen der Höhe des Eintrittsfensters und der Gesamthöhe des Prismas ist.
Die Erfindung hat aber nun erkannt, dass es sinnvoll sein kann, von einer Bauform des Prismas abzuweichen, die in einer minimalen Gesamthöhe resultiert. Damit wird es möglich, folgende drei Randbedingungen im Gesamten optimal zu gewährleisten: (1) möglichst große Höhe H1 des Eintrittsfensters des Prismas; (2) möglichst kleine Gesamthöhe H1+H2 des Prismas; (3) möglichst wenig Verkippungswinkel der ersten Spiegelfläche im Verhältnis zum Hauptstrahl des ersten Abbildungsstrahlengangs.
Denn wie noch genauer erläutert werden wird, ist es für eine hohe Qualität des Bilds, welches mit dem distalen Bildsensor aufgezeichnet wird, günstig, wenn die erste Spiegelfläche nur geringfügig zur optischen Achse des ersten Abbildungsstrahlengangs verkippt ist. Denn in diesem Fall treffen insbesondere Randstrahlen des zweiten Abbildungsstrahlengangs vergleichsweise steil auf die erste Spiegelfläche. Dies ist vorteilhaft, um optische Weglängendifferenzen innerhalb des zweiten Abbildungsstrahlengangs zu minimieren, aus denen erhebliche Aberrationen entstehen können, die sich negativ auf die Bildgebung auswirken, wie noch genauer anhand einer Zeichnung erläutert werden wird.
Gerade wenn übliche Bildsensoren mit einem jeweiligen Bildformat von 16:9 verwendet werden, kann ein solches Design des Prismas Vorteile bieten, insbesondere wenn das Visualisierungssystem zwei optische Kanäle umfasst, die mit dem Bildsensor erfasst werden.
Die erste Spiegelfläche des Prismas fungiert somit als Strahlteiler und teilt einen durch das Eintrittsfenster einfallenden Strahlengang in den ersten und zweiten Abbildungsstrahlengang auf.
Der erste Abbildungsstrahlengang kann zum Beispiel aus einer proximalen Austrittsfläche aus dem wenigstens einen Prisma austreten, welche der distalen Eintrittsfläche gegenüberliegt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Austrittsfläche mindestens dieselbe Höhe H1 bietet, wie die distale Eintrittsfläche, damit alles Licht des ersten Abbildungsstrahlengangs was durch die Eintrittsfläche gelangt auch zum proximalen Bildsensor geleitet werden kann.
Die Eintrittsfläche kann insbesondere die gesamte Frontfläche des Prismas ausmachen, die den beiden Abbildungsstrahlengängen zugewandt ist. Hierbei muss jedoch nicht die gesamte Eintrittsfläche von den beiden Abbildungstrahlengängen durchstoßen werden, vielmehr kann nur ein kleineres (insbesondere rotationssymmetrisches) Eintrittsfenster innerhalb der Eintrittsfläche von Abbildungslichtstrahlen durchstoßen werden (während das Eintrittsfenster selbst eine rechteckige Geometrie aufweisen kann). Es versteht sich, dass somit auch der erste Abbildungsstrahlengang durch die distale Eintrittsfläche in das Prisma eintreten kann, insbesondere durch das identische Eintrittsfenster.
Die Begriffe „distal“ und „proximal“ können in Bezug auf den Benutzer verstanden werden, der das Visualisierungssystem verwendet, um Bildaufnahmen in einer bestimmten Blickrichtung vorzunehmen: Wenn die Blickrichtung vom Körper des Benutzers weg zeigt, befindet sich der proximale Bildsensor körpernah und der distale Bildsensor körperfern vom Benutzer, d.h. letzterer befindet sich in der Spitze des Endoskops.
Das wenigstens eine Prisma kann bevorzugt (insbesondere jeweils) als Pentaprisma (also mit fünf Ecken) ausgestaltet sein. Bei Ausbildung von zwei parallelen optischen Kanälen kann das Visualisierungssystem auch zwei, insbesondere separat angeordnete bzw. voneinander getrennte, Prismen aufweisen, die jeweils wie zuvor beschrieben ausgebildet sind. Oder aber es wird ein gemeinsames Prisma für beide Kanäle verwendet.
Der erste Abbildungsstrahlengang kann bevorzugt entlang einer Längsachse des Endoskops ausgerichtet sein und das Prisma ohne jegliche Ablenkung in Transmission passieren. Entsprechend kann eine Flächennormale des ersten Bildsensors parallel zu dieser Längsachse verlaufen.
Da die erste Spiegelfläche mit der proximalen Austrittsfläche zusammenfallen kann, kann ein Hauptstrahl des ersten Abbildungsstrahlengangs einen Winkel bilden zu einer Flächennormalen der proximalen Austrittsfläche des Prismas. Dieser Winkel soll gemäß der Erfindung vergleichsweise klein ausfallen, damit der Einfallswinkel (gemessen zur Flächennormale) des Hauptstrahls klein bleibt und somit auch Randstrahlen noch verhältnismäßig steil auf die erste Spiegelfläche des Prismas einfallen.
Die Flächennormale der distalen Austrittsfläche (durch welche der zweite Abbildungsstrahlengang das Prisma verlässt), kann hingegen quer, insbesondere senkrecht, zur Längsachse des Endoskops beziehungsweise zur optischen Achse des ersten Abbildungstrahlengangs ausgerichtet sein.
Der zweite Abbildungsstrahlengang kann daher bevorzugt zweimal von dem Prisma umgelenkt beziehungsweise reflektiert werden. Hierbei kann der zweite Abbildungsstrahlengang zunächst an einer inneren Spiegelfläche des Prismas mittels einer ersten Reflexion umgelenkt werden, vorzugsweise derart, dass der zweite Abbildungsstrahlengang nachfolgend entgegen der Richtung des ersten Abbildungsstrahlengangs propagiert.
Mittels einer zweiten, insbesondere äußeren, Spiegelfläche des Prismas kann der zweite Abbildungsstrahlengang dann mittels einer zweiten Reflexion erneut umgelenkt werden, insbesondere derart, dass ein Hauptstrahl des zweiten Abbildungsstrahlengangs nach der zweiten Reflexion quer, vorzugsweise senkrecht, zu der Längsachse des Endoskops verläuft. Hierbei ist es bevorzugt, wenn ein Hauptstrahl des zweiten Abbildungsstrahlengangs parallel zu einer Flächennormalen der distalen Austrittsfläche des Prismas aus dem Prisma austritt. Die zweite Spiegelfläche kann dabei bevorzugt außerhalb einer axialen Projektion des Eintrittsfensters (entlang der Längsachse des Endoskops) angeordnet sein. Denn in diesem Fall verdeckt die Spiegelfläche nicht das Eintrittsfenster.
Ein solches Visualisierungssystem kann zum Beispiel als ein Endoskop mit einer Geradeaussicht oder als Schrägsicht-Endoskop (zum Beispiel unter Verwendung einer optischen Umlenkeinheit, beispielsweise in Form eines weiteren Prismas noch vor dem eigentlichen Umlenk-Prisma) ausgestaltet werden. In beiden Fällen kann jedoch der jeweilige Abbildungsstrahlengang, ggf. nach erster Umlenkung in dem weiteren Prisma, noch vor Eintritt in das erfindungsgemäß ausgestaltete Umlenk-Prisma, in Richtung einer Längsachse des Endoskops verlaufen.
Die aktive Fläche des jeweiligen Bildsensors kann (jeweils), insbesondere unmittelbar, auf den jeweiligen Austrittsflächen des Prismas angeordnet sein oder aber hiervon beabstandet (also unter Verwendung eines Luftspalts oder eine Zwischenschicht, insbesondere einer transparenten Klebeschicht).
Um die eingangs genannte Aufgabe zu lösen und insbesondere die Anwendungsmöglichkeiten des Visualisierungssystems zu verbreitern bzw. seine Funktionalität zu erhöhen, werden alternativ oder ergänzend zu den zuvor erwähnten Merkmalen, die Merkmale von Anspruch 2 vorgeschlagen, die möglicherweise eigenständige erfinderische Qualität aufweisen. Insbesondere wird somit bei dem eingangs genannten Visualisierungssystem vorgeschlagen, dass das Visualisierungssystem zur Erzeugung von 3D-Bildern, also insbesondere zum stereoskopischen Sehen, einen linken optischen Kanal und einen rechten optischen Kanal aufweist. Diese beiden Kanäle können insbesondere optisch voneinander getrennt sein, beispielsweise mittels einer opaken Trennschicht oder einer optischen Barriere. Ferner wird vorgeschlagen, dass das wenigstens eine Prisma (jeweils) einen oder beide der optischen Kanäle sowohl auf den proximalen Bildsensor als auch auf den distalen Bildsensor umlenkt. Denn hierdurch kann insbesondere erreicht werden, dass mit jedem der beiden Bildsensoren 3D-Bilder und/oder stereoskopische Bilder aufgezeichnet werden können. Hierbei können die Bilder insbesondere in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen aufgezeichnet werden. Beispielsweise kann einer der beiden Bildsensoren, insbesondere der distale Bildsensor, zur Fluoreszenzbildgebung eingerichtet sein, während der andere Bildsensor, also insbesondere der proximale Bildsensor, zur Weißlichtbildgebung eingerichtet sein kann. Denn bei Verwendung einer wie zuvor beschriebenen ersten Spiegelfläche können diese unterschiedlichen Wellenlängenbereiche von dem Prisma in die beiden zuvor erläuterten Abbildungsstrahlengänge aufgeteilt werden.
Die beiden optischen Kanäle können vorzugsweise optisch beziehungsweise räumlich getrennt voneinander ausgebildet werden, insbesondere derart, dass sich Abbildungsstrahlen des linken optischen Kanals nicht mit denjenigen des rechten optischen Kanals überschneiden. Hierzu können insbesondere getrennte Stablinsen verwendet werden, die nebeneinander, insbesondere parallel zueinander, angeordnet sind, um den jeweiligen Abbildungsstrahlengang des linken bzw. rechten optischen Kanals auszuformen.
Die Merkmale dieses zweiten Ansatzes (gemäß Anspruch 2) können in vorteilhafter Weise auch mit den zuvor erläuterten Merkmalen des ersten Ansatzes (gemäß Anspruch 1) kombiniert werden.
Erfindungsgemäß kann die Aufgabe auch durch weitere vorteilhafte Ausführungen gemäß den Unteransprüchen gelöst werden, die im Folgenden erläutert werden und jeweils mit allen zuvor erläuterten Merkmalen kombiniert werden können:

Beispielsweise kann das Visualisierungssystem zwei separate distale Linsenanordnungen aufweisen, die jeweils den erwähnten linken bzw. rechten optischen Kanal ausbilden. Diese Linsenanordnungen beziehungsweise diese beiden optischen Kanäle können auch optisch voneinander getrennt sein, beispielsweise mittels einer opaken Trennschicht oder einer optischen Barriere. Alternativ hierzu kann auch eine gemeinsame distale Linsenanordnung vorgesehen sein, die beide optischen Kanäle (linker + rechter optischer Kanal) ausbildet.

Ferner ist es möglich, dass in dem Visualisierungssystem ein gemeinsames Prisma für beide optischen Kanäle jeweils den ersten Abbildungsstrahlengang auf dem proximalen Bildsensor und den zweiten Abbildungsstrahlengang auf den distalen Bildsensor lenkt (jeweils für jeden der beiden optischen Kanäle). Genauso gut ist es aber auch möglich, dass zwei getrennte Prismen verwendet werden, und zwar jeweils für einen der beiden optischen Kanäle. In diesem Fall lenkt jedes dieser beiden Prismen jeweils den ersten Abbildungsstrahlengang auf den proximalen Bildsensor und den zweiten Abbildungsstrahlengang auf den distalen Bildsensor. Denn auch mit diesen Ansätzen können zwei unterschiedliche Wellenlängenbereiche voneinander separiert werden und so von den beiden Bildsensoren jeweils sensorisch erfasst werden.
Wie zuvor bereits erläutert wurde, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Strahlen des zweiten Abbildungsstrahlengangs vergleichsweise steil auf die wellenlängenselektive erste Spiegelfläche treffen, weil dann Abbildungsfehler vermieden werden können und somit eine qualitativ hochwertiges Bild im zweiten Abbildungsstrahlengang bzw. auf dem distalen Bildsensor erhalten werden kann.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass eine Flächennormale der ersten Spiegelfläche des Prismas mit einer optischen Achse des ersten Abbildungsstrahlengangs einen Winkel α einschließt, für den gilt α < 20°. Bevorzugt kann gelten α < 18° oder sogar α < 15°.
Je nachdem, wie groß die Bandbreite des von der ersten Spiegelfläche zu reflektierenden Wellenlängenspektrums ist, kann der Winkel α sogar kleiner 13° gewählt sein, insbesondere kleiner 12°. Hierbei sollte der Winkel α umso kleiner gewählt werden, je größer die Bandbreite an Wellenlängen ist, da dann ohnehin bereits gewisse optische Pfadlängendifferenzen nicht zu vermeiden sind (wegen der Dispersion der optischen Elemente).
Aus einer solch kleinen Verkippung der ersten Spiegelfläche gegenüber der optischen Achse des ersten Abbildungsstrahlengangs resultiert zwar eine sub-optimale Bauhöhe H1+H2 des Prismas quer zur optischen Achse, die dann größer ausfällt als eigentlich notwendig. Denn eine minimale Bauhöhe des Prismas wird nur für den Fall erreicht, dass die Strahlen sowohl auf die erste Spiegelfläche als auch auf die zweite Spiegelfläche mit Winkeln α = β = 22.5° einfallen (wobei auch dann die gewünschte Strahlumlenkung um 2α+2β = 90° erreicht wird). Allerdings kann dadurch die Qualität der Bildgebung mit dem distalen Bildsensor verbessert werden, insbesondere wenn das Wellenlängenspektrum und/oder das Winkelspektrum der auf die erste Spiegelfläche einfallenden Lichtstrahlen nicht unerheblich breit ist, denn bei zu großen Winkeln α besteht die Gefahr von optischen Aberrationen (chromatische Aberrationen und Astigmatismus).
Für α = 22.5° würde die Gesamtbauhöhe H1+H2 des Prismas somit minimal ausfallen und gleichzeitig könnte bereits bei einer Länge der Grundseite von L1 = H1 gewährleistet werden, dass die an der zweiten Spiegelfläche reflektierten Strahlen nicht erneut auf die erste Spiegelfläche treffen. Die erfindungsgemäß längere Ausgestaltung der Länge L1 der Grundseite bietet hier jedoch den Vorteil, dass der Winkel α entsprechend kleiner gewählt werden kann, wodurch es wesentlicher einfacher wird, für ein gegebenes Winkelspektrum von auf die erste Spiegelfläche einfallenden Lichtstrahlen und für ein zugehöriges Wellenlängenspektrum an reflektierten Strahlen geringe optische Weglängendifferenzen und damit eine hohe Abbildungsqualität zu gewährleisten. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass das Winkelspektrum, welches auf die erste Spiegelfläche einfällt, nur unter hohem technischem Aufwand (d.h. Verwendung zahlreicher optischer Elemente) so stark reduziert werden kann, dass auch größere Verkippungswinkel α akzeptabel wären. Die Erfindung schlägt hier somit einen spezifischen Design-Ansatz vor, der in hoher Bildqualität, ausreichender Ausleuchtung und einer akzeptablen Bauhöhe des Prismas resultiert und dabei auch bei sehr großem Blickwinkel des Visualisierungssystems (etwa field-of-view > 65°) eingesetzt werden kann, unter Verwendung von auf dem Markt erhältlicher dichroitischer Spiegel. Zudem wird die Anzahl an notwendigen optischen Elementen klein gehalten, was günstig für Bauraum, Gewicht und Kosten ist.
Es kann somit insbesondere vorgesehen sein, dass der proximale Bildsensor einen ersten Wellenlängenbereich und der distale Bildsensor einen vom ersten Wellenlängenbereich abweichenden zweiten Wellenlängenbereich sensorisch erfasst. Hierbei kann die erste Spiegelfläche den ersten Wellenlängenbereich transmittieren und den zweiten Wellenlängenbereich reflektieren. Es versteht sich, dass sich auch die beiden Bildsensoren, insbesondere aufgrund unterschiedlicher Filter auf Pixellevel, in ihrer jeweiligen spektralen Sensitivität unterscheiden können.
Die erste Spiegelfläche kann somit den ersten Wellenlängenbereich zum proximalen Bildsensor weiterleiten (diese Wellenlängen passieren den ersten Spiegel) und den zweiten Wellenlängenbereich zum distalen Bildsensor (diese Wellenlängen werden von dem Spiegel reflektiert).
Die erste Spiegelfläche kann zu diesem Zweck als dichroitischer Spiegel ausgebildet sein. Unter dichroitischen Spiegeln werden in der Optik Interferenzfilter verstanden, die einen unterschiedlichen Transmissions- bzw. Reflexionsgrad für unterschiedliche Wellenlängenbereiche aufweisen. Sie bestehen typischerweise aus einer Abfolge von mehrere dielektrischen Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex, die auf einem Glassubstrat (hier dem Glaskörper des Prismas) aufgebracht sind. Die Auslegung der dichroitischen Fläche und damit die spektrale Kantenschärfe des dichriotischen Filters zur Abtrennung der Wellenlängen ist für die Funktion der ersten Spiegelfläche entscheidend. Hier sind zwei Faktoren wichtig: (i) Die „Bandbreite“ an Einfallswinkeln, welche durch das Prisma geleitet werden müssen. Hier wird eine kleinstmögliche Differenz zwischen Hauptstrahl und Außenstrahl angestrebt, was in der Zielvorgabe eines kleinstmöglichen Öffnungswinkels der Abbildungsoptik resultiert. Allerdings setzt hier die Anzahl an verwendeten optischen Elementen Grenzen. (ii) Der Kippwinkel der dichroitischen Fläche im Verhältnis zum Hauptstrahl des ersten Abbildungsstrahlengangs bzw. zur Längsachse des Endoskops. Dieser sollte minimal sein, denn bei größeren Kippwinkeln der dichroitischen Fläche vergrößert sich die effektive optische Pfadlänge in jeder Schicht des Filters.
Der letzte Punkt ist entscheidend, da die Schichtdicke des Layers proportional ist zum gewünschten Shift der Wellenlänge. Mit anderen Worten nimmt die Kantenschärfe (edge sharpness) des Filters ab, je dicker die Schicht ausfällt bzw. je größer der Einfallswinkel eines einfallenden Strahls ausfällt. Eine hohe Kantenschärfe ist aber notwendig, um das einfallende Licht sauber spektral aufzutrennen. Ist die Kantenschärfe ungenügend, wird teilweise Licht verloren bzw. in den falschen Abbildungsstrahlengang geleitet. Da es sich bei dichriotischen Filtern/Spiegeln um ein Schichtsystem handelt, addieren sich die Fehler jeder einzelnen Schicht auf, was die Problemstellung verschärft. Die Erfindung bietet hierfür eine effiziente Lösung.
Als Beispiel sei hier ein nominaler Verkippungswinkel von α = 11,5° angeführt. In diesem Fall kann das reale Spektrum an Einfallswinkeln der auf die erste Spiegelfläche des Prismas einfallenden Abbildungsstrahlen zwischen 8° und 15° liegen. Hieraus können relative Weglängendifferenzen von weniger als 1.5 % resultieren. Beträgt der Verkippungswinkel hingegen α = 22,5°, was in einer optimalen Bauhöhe des Prismas resultiert, so können die Einfallswinkel beispielsweise zwischen 19° und 26° schwanken, was dann in mehr als 2.7% relativer Weglängendifferenz resultiert (das sind ca. 80% mehr Variation). Dies zeigt die Bedeutung des Verkippungswinkels α.
Der erste Wellenlängenbereich (der vom proximalen Bildsensor aufgezeichnet wird) kann disjunkt sein zum zweiten Wellenlängenbereich (der vom distalen Bildsensor aufgezeichnet wird), also gerade keine Überschneidung zeigen. Dies wird beispielsweise dann der Fall sein, wenn der Reflexionsgrad der ersten Spiegelfläche eine Kurzpassfilter- (geringer Reflexionsgrad bzw. hoher Transmissionsgrad für kurze Wellenlängen, hoher Reflexionsgrad bzw. geringer Transmissionsgrad für lange Wellenlängen) oder Langpassfilter- oder beispielsweise eine Bandpassfilter- oder Bandsperrfilter-Charakteristik ausbildet.
Der erste Wellenlängenbereich (erfasst vom proximalen Bildsensor) kann zum Beispiel so gewählt sein, dass er zur Weißlichtbildgebung einsetzbar ist bzw. eingesetzt wird und/oder den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich abdeckt. Der zweite Wellenlängenbereich (erfasst vom distalen Bildsensor) kann hingegen außerhalb des sichtbaren Wellenlängenbereichs liegen oder beispielsweise nur einen Teilbereich des sichtbaren Wellenlängenbereichs abdecken. Dieses Vorgehen ist insbesondere für eine Fluoreszenzlichtbildgebung (zum Beispiel mit dem distalen Bildsensor), zusätzlich, insbesondere gleichzeitig, zu einer Weißlichtbildgebung (zum Beispiel mit dem proximalen Bildsensor), nützlich. Selbstverständlich können diese Charakteristiken in Bezug auf den jeweiligen Wellenlängenbereich auch umgekehrt ausgebildet sein (distaler Bildsensor erfasst annähernd weißes, breitbandiges Spektrum, proximaler Bildsensor erfasst weiteres engeres Spektrum). Die Erfindung bietet darüber hinaus den Vorteil, dass beide Bildgebungen in den beiden Spektralbereichen jeweils in 3D-Bildern bzw. stereoskopischen Bildern resultieren können.
Einer der beiden Bildsensoren des Visualisierungssystems kann beispielsweise als klassischer RGB-Sensor ausgestaltet sein, etwa um Weißlichtbilder aufzunehmen. Der andere Bildsensor kann, insbesondere in diesem Fall, zum Beispiel als monochromer Bildsensor ausgestaltet sein, insbesondere um eine Wellenlänge jenseits des sichtbaren Spektrums, etwa im NIR- oder UV-Wellenlängenbereich, sensorisch zu erfassen.
Wie noch besser anhand der Figuren ersichtlich werden wird, kann der zweite Abbildungsstrahlengang, nach Reflexion an der ersten Spiegelfläche, an einer zweiten Spiegelfläche des Prismas erneut reflektiert werden. Diese zweite Spiegelfläche kann insbesondere als eine externe Spiegelfläche ausgestaltet sein, beispielsweise durch eine Metallisierung auf dem Glaskörper des Prismas. Hierdurch kann insbesondere erreicht werden, dass der zweite Abbildungsstrahlengang den ersten Abbildungsstrahlengang kreuzt. Mit anderen Worten können sich somit jeweilige Hauptstrahlen der beiden Abbildungsstrahlengänge in einem Kreuzungspunkt innerhalb des Prismas kreuzen. Dadurch kann eine Situation entstehen, bei der ein von der zweiten Spiegelfläche reflektierter Strahl denjenigen einfallenden Strahl kreuzt, aus dem der besagte reflektierte Strahl mittels der ersten Spiegelfläche abgezweigt wurde. Bei einer solchen Ausgestaltung des Prismas spricht man auch von einem „inward splitting“, durch die eine kompakte Ausgestaltung des optischen Systems ermöglicht wird, weil die optische Pfadlänge des zweiten Abbildungsstrahlengangs durch Anwendung einer doppelten Reflektion entsprechend lang ausgestaltet werden kann.
Die erste Spiegelfläche kann beispielsweise eine interne Spiegelfläche sein, nämlich zum Beispiel dann, wenn sich ein Glaskörper luftspaltfrei an die erste Spiegelfläche des Prismas anschließt. Hierbei kann die erste Reflexion des zweiten Abbildungsstrahlengangs auch auf einer internen Totalreflexion beruhen.
Generell ist es vorteilhaft, wenn eine Flächennormale des proximalen Bildsensors entlang einer Längsachse des Visualisierungssystems (also insbesondere des zuvor erwähnten Endoskops) ausgerichtet ist und wenn eine zweite Flächennormale des distalen Bildsensors quer, also insbesondere senkrecht, zu der Längsachse steht. Die jeweilige Flächennormale steht dabei senkrecht auf der jeweiligen aktiven Fläche des Bildsensors. Gerade eine Ausrichtung der Flächennormale des distalen Bildsensors senkrecht zur Längsachse resultiert in einer besonders kompakten Bauform quer zur Längsachse, da der „footprint“ des Bildsensors in der Regel sehr viel größer ist als die nutzbare aktive Fläche des Bildsensors.
Für eine hohe Bildqualität ist es zudem vorzuziehen, wenn eine jeweilige optische Pfadlänge der Hauptstrahlen der beiden Abbildungsstrahlengänge, gemessen von der Eintrittsfläche des Prismas bis zu einer jeweiligen Sensorfläche des proximalen Bildsensors bzw. des distalen Bildsensors, gleich lang ausgebildet ist. Dies trifft insbesondere für den Fall zu, wenn eine Abbildungsoptik des Visualisierungssystems, die die beiden Abbildungsstrahlengänge liefert, für den ersten und zweiten Wellenlängenbereich (optisch) korrigiert ist (die vom distalen bzw. proximalen Sensor sensorisch erfasst werden). Die optischen Pfadlängen lassen sich beispielsweise durch die Wahl des Glasmaterials für das Prisma und den erwähnten Glaskörper sowie deren geometrische Dimensionen einstellen.
Bei einer hierzu alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Visualisierungssystems kann vorgesehen sein, dass sich eine jeweilige optische Pfadlänge der Hauptstrahlen der beiden Abbildungsstrahlengänge, erneut gemessen von der Eintrittsfläche des Prismas bis zu einer jeweiligen Sensorfläche des proximalen Bildsensors bzw. des distalen Bildsensors, um eine optische Pfadlängendifferenz nΔL unterscheiden. Dies bietet sich etwa an, wenn eine Abbildungsoptik des Visualisierungssystems, die die beiden Abbildungsstrahlengänge liefert, unterschiedliche mittlere bildseitige Schnittweiten (back focal length = BFL) für den ersten und für den zweiten Wellenlängenbereich liefert. Es versteht sich, dass es hierbei vorteilhaft ist, wenn die optische Pfadlängendifferenz nΔL diese Schnittweitenunterschiede optisch kompensiert. Bei einer solchen Ausgestaltung ist die Abbildungsoptik also bewusst nicht für den ersten und zweiten Wellenlängenbereich korrigiert (im Sinne einer für diese Wellenlängenbereiche jeweils nur sehr schwach ausgeprägten longitudinalen chromatischen Aberration).
Gerade bei Anwendungen, bei denen mit dem Visualisierungssystem ein großes Sichtfeld beobachtet werden soll (field of view = FOV), ist es für eine hohe Abbildungsqualität vorteilhaft, wenn das Visualisierungssystem über eine Abbildungsoptik verfügt, die dem wenigstens einen Prisma vorgelagert ist und ein Winkelspektrum des zweiten Abbildungsstrahlengangs, bezogen auf einen Hauptstrahl, auf +/-10°, vorzugsweise auf +/-8°, besonders bevorzugt auf +/-6° begrenzt. Hierbei kann ein Feldwinkel, der mit dem Visualisierungssystem beobachtbar ist, wenigstens 60°, vorzugsweise sogar wenigstens 70° betragen (z.B. Weitwinkel-Endoskop). Es kann somit insbesondere ein Weitwinkelobjektiv in dem Visualisierungssystem eingesetzt werden, welches der Abbildungsoptik vorgelagert ist und den Feldwinkel bildseitig auf ein Winkelspektrum von Abbildungsstrahlen von < +/-20°, vorzugweise auf ein Winkelspektrum von Abbildungsstrahlen von < +/-18°, reduziert.
Durch die Begrenzung des Winkelspektrums des zweiten Abbildungsstrahlengangs kann die Bandbreite an Einfallswinkeln, unter denen Abbildungsstrahlen des zweiten Abbildungstrahlengangs auf die erste Spiegelfläche treffen begrenzt werden, sodass stets eine ausreichend hohe Reflektivität für sämtliche zur Bildgebung (in Bezug auf den distalen Bildsensor) genutzten Strahlen gewährleistet werden kann. Denn für zu große Einfallswinkel nimmt die Filterschärfe in der Regel stark ab. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein dichroitischer Spiegel verwendet wird, dessen Reflektivität typischerweise stark abhängig ist vom Einfallswinkel des einfallenden Lichts.
Die erwähnte Abbildungsoptik kann insbesondere die zuvor erwähnten distalen Linsenanordnungen bzw. die distale Linsenanordnung umfassen (die die beiden optischen Kanäle ausbildet) beziehungsweise durch diese ausgebildet sein.
Das Weitwinkelobjektiv kann neben einer Negativ-Linse (Konkavlinse) auch asphärische Linsen umfassen. Auch die Abbildungsoptik kann asphärische Linsen aufweisen. Es versteht sich zudem, dass sämtliche der im jeweiligen Abbildungsstrahlengang (vom Objekt bis zum Bildsensor) befindlichen Linsen an der Bildgebung mitwirken.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ist aber nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausbildungen der Erfindung können aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der allgemeinen Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen gewonnen werden.
Bei der folgenden Beschreibung verschiedener bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung erhalten in ihrer Funktion übereinstimmende Elemente auch bei abweichender Gestaltung oder Formgebung übereinstimmende Bezugszahlen.
Es zeigt:

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Visualisierungssystems,
2 eine Aufsicht (entgegen der x-Achse) auf den distalen Endbereich eines erfindungsgemäßen Visualisierungssystems,
3 eine weitere Aufsicht von oben auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Visualisierungssystems, welches sich durch die Verwendung eines gemeinsamen Prismas 3 von demjenigen der 2 unterscheidet,
4 den distalen Endbereich eines weiteren erfindungsgemäß ausgestalteten Visualisierungssystems, wobei die Blickrichtung von der Seite gewählt ist (entgegen der y-Achse),
5 ein gemäß der Erfindung ausgestaltetes Umlenk-Prisma mit damit verbundenem Glaskörper, wobei das Prisma beispielsweise in dem Visualisierungssystem gemäß 3 eingesetzt werden könnte,
6 das Prisma der 5 in einer Seitenansicht (entgegen der y-Achse),
7 eine Aufsicht entlang der z-Achse/optischen Achse auf einen proximal angeordneten Bildsensor eines erfindungsgemäßen Visualisierungssystems, beispielsweise den proximalen Bildsensor des Visualisierungssystems der 2/3/4,
8 ein erfindungsgemäßes Prisma ähnlich dem der 5 bzw. 6 mit daran angesetzten Glaskörper 19, wobei zahlreiche geometrische Details wiedergegeben sind,
9 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Umlenk-Prismas, bei dem der Verkippungswinkel α kleiner gewählt ist als der Umlenkwinkel β der zweiten Spiegelfläche,
10 ein Beispiel eines nicht erfindungsgemäßen Umlenk-Prismas mit optimal ausgestalteter Gesamthöhe H1 + H2, wobei die beiden internen Umlenkwinkel α, β gleich groß gewählt sind und
11 der Vollständigkeit halber ein weiteres Beispiel eines Umlenk-Prismas, bei dem nun der erste Verkippungswinkel α größer gewählt ist als der zweite Umlenkwinkel β, was jedoch in einer nicht praxistauglichen Form des Prismas resultiert.

Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Visualisierungssystem 1 in Form eines Chip-in-Tip-Endoskops, welches ein Handteil 35 aufweist mit einem daran befestigten Endoskopschaft 36, der in seinem distalen Endbereich 5 eine erfindungsgemäß ausgestaltete optische Baugruppe trägt, inklusive zwei separat voneinander angeordneter Bildsensoren 2a und 2b. Mit dem Endoskop 1, genauer mit den beiden Bildsensoren 2a und 2b, können in unterschiedlichen Spektralbereichen Bilder des gezeigten Objekts 37 aufgezeichnet werden. Die aufgezeichneten Bilder werden dabei als ein Videosignal an eine Kamerakontrolleinheit 33 übergeben, die diese Signale aufbereitet und an einem Monitor 34 ausgibt.
Die 2 zeigt ein erstes Beispiel, wie die optischen Elemente des Endoskops 1 und die beiden Bildsensoren 2a und 2b im distalen Endbereich 5 des Endoskops 1 erfindungsgemäß angeordnet werden könnten. Zu sehen ist eine Frontoptik 11 des Endoskops 1, die bereits zwei optische Kanäle 16a und 16b ausbildet und zusammen mit nachgeordneten jeweiligen Stablinsen (linke Linsenanordnung 17a und rechte Linsenanordnung 17b) einen jeweiligen ersten Abbildungsstrahlengang 4a ausbildet. Wie anhand der beiden Punkt-Strich-Linien gezeigt, verlaufen diese beiden ersten Abbildungsstrahlengänge 4a parallel zueinander und entlang der Längsachse 27 des Endoskops 1, welche mit der Längsachse des Endoskopschafts 36 zusammenfällt. Die beiden ersten Abbildungsstrahlengänge 4a treten durch eine distale Eintrittsfläche 10 in ein jeweiliges Prisma 3a und 3b ein, wobei jedes dieser beiden Prismen 3a und 3b den jeweiligen ersten Abbildungsstrahlengang 4a auf den gezeigten und gemeinsam genutzten proximalen Bildsensor 2a lenkt.
Das Ausführungsbeispiel gemäß der 3 unterscheidet sich von demjenigen der 2 im Wesentlichen dadurch, dass hier anstatt zwei getrennten Prismen 3a und 3b ein gemeinsames Prisma 3 verwendet wird, welches in der 5 illustriert ist. Hierbei ist anzumerken, dass auch die beiden Prismen 3a und 3b in 2 in gleicher Weise wie das Prisma der 5/6 ausgestaltet sind, jedoch mit kleinerer lateraler Breite.
Wie nun im Folgenden genauer erläutert wird, lenkt das jeweilige Prisma 3 noch einen zweiten Abbildungsstrahlengang 4b auf einen zweiten distalen Bildsensor 2b, der, wie in den 2-4 zu erkennen ist, in distaler Richtung zum proximalen Bildsensor 2a versetzt ist. Entsprechend liegt der distale Bildsensor 2b eigentlich näher an der vorgelagerten Abbildungsoptik 31, die in den 2 und 3 illustriert ist und dort mittels eines Objektivlinsensystems 43 ausgebildet ist, das mehrere optische Linsen, insbesondere Konkav- und Konvexlinsen umfasst. Um dies auszugleichen, wird der zweite Abbildungsstrahlengang 4b innerhalb des jeweiligen Prismas 3 gefaltet, genauer durch zwei Reflexionen umgelenkt, wie man etwa gut in der Seitenansicht der 4 erkennt, aber auch in der 6.
Anhand der 5 und 6 ist gut zu erkennen, dass dieser zweite Abbildungsstrahlengang 4b ebenfalls durch die distale Eintrittsfläche 10 in das jeweilige Prisma 3 eintritt. Anschließend wird dieser Abbildungsstrahlengang 4b jedoch mittels einer ersten Reflexion 14 an einer ersten Spiegelfläche 8 des Prismas 3 umgelenkt, wobei diese Spiegelfläche 8 wellenlängenselektiv ausgestaltet ist. Somit transmittiert die Spiegelfläche 8 den ersten Abbildungsstrahlengang 4a, der nur Wellenlängen in einem ersten Wellenlängenbereich umfasst. Der zweite Abbildungsstrahlengang 4b umfasst hingegen einen zweiten Wellenlängenbereich, der vom ersten Wellenlängenbereich abweicht. Der zweite Abbildungsstrahlengang 4b wird von der ersten Spiegelfläche 8 reflektiert. Hierbei handelt es sich um eine interne Reflexion, wie man beispielsweise am Verlauf des Abbildungsstrahlengangs 4b in 6 erkennt, etwa an der Stelle der Flächennormalen 28 dieser ersten (inneren/internen) Spiegelfläche 8 des Prismas 3.
Anhand der 6 ist gut zu erkennen, dass im Ergebnis somit Licht, welches links in das Prisma 3 einfällt an zwei Austrittsflächen, nämlich der proximalen Austrittsfläche 12 und der distalen Austrittsfläche 13, aus dem Prisma 3 ausritt. Beispielsweise kann die Spiegelfläche 8 so ausgelegt werden, dass Fluoreszenzlicht aus der distalen Austrittsfläche 13 aus dem Prisma 3 austritt, während aus der proximalen Austrittsfläche 12 Weißlicht austritt.
Für den zweiten Abbildungsstrahlengang 4b wird dazu der von der ersten Spiegelfläche 8 reflektierte Strahl 30 an einer zweiten Spiegelfläche 9, die beispielsweise als externer Spiegel ausgestaltet sein kann, erneut reflektiert. Der von dieser zweiten Spiegelfläche 9 reflektierte Strahl 26 verläuft somit quer zur Längsachse 27 des Endoskops 1 und kreuzt (innerhalb des Prismas 3) an dem Kreuzungspunkt 7 den Hauptstrahl 6a des ersten Abbildungsstrahlengangs 4a, welcher auf die erste Spiegelfläche 8 einfällt. Während also die proximale Austrittsfläche 12 der distalen Eintrittsfläche 10 gegenüberliegt und somit am proximalen Ende 23 des Prismas 3 angeordnet ist, befindet sich die distale Austrittsfläche 13 hierzu distal versetzt an der Grundseite 18 des Prismas 3 (Seite AB in 6).
Wie bereits in der allgemeinen Beschreibung erwähnt und in der 10 illustriert, ist es grundsätzlich günstig, die erste Spiegelfläche 8, die durch die Seite BC des Prismas 3 gebildet wird, so zur Längsachse 27 bzw. zum Hauptstrahl 6a des ersten Abbildungsstrahlengangs 4a zu verkippen und gleichzeitig die zweite Spiegelfläche 9, die durch die Seite ED des Prismas 3 gebildet wird ebenfalls entsprechend zu verkippen, dass für die in 10 gezeigten beiden Umlenkwinkel α und β gilt, dass diese gerade gleich groß sind. Denn für die gewünschte Strahlumlenkung, für die gelten soll 2α + 2β = 90°, müssen entsprechend α und β 22,5° betragen. Für diesen Fall kann relativ einfach gezeigt werden, dass die Gesamthöhe H1 + H2 des Prismas 3 (vgl. 10) minimal ausfällt, jedenfalls unter Berücksichtigung der Randbedingung, dass all diejenigen Strahlen, die an der zweiten Spiegelfläche 9/der Seite ED des Prismas 3 reflektiert werden, vollständig und ungehindert aus der Grundseite 18 (also der Seite AB) des Prismas 3 austreten sollen.
Anhand der 10 ist gut zu erkennen, dass die Gesamtbauhöhe H1 + H2 des Prismas somit für α = 22,5° minimal ausfallen wird und gleichzeitig bei einer Länge der Grundseite von L1 = H1 gewährleistet werden kann, dass die an der zweiten Spiegelfläche 9 reflektierten Strahlen nicht erneut auf die erste Spiegelfläche 8 treffen.
Wie die 11 zeigt, könnte zwar bei weiterer Vergrößerung des ersten Verkippungswinkels α (also des ersten Umlenkwinkels α) die Höhe H2 und damit die Gesamthöhe H1 + H2 des Prismas 3 verringert werden und zwar für eine vorgegebene Höhe H1 des distalen Eintrittsfensters 10 (= Seite AE des Prismas 3). In diesem Fall würden aber nicht mehr alle Lichtstrahlen, die an der oberen Seite ED des Prismas 3 reflektiert werden (= zweite Reflexion 15 des zweiten Abbildungsstrahlengangs 4b) durch die Grundseite 18 austreten; vielmehr würden einige dieser an der zweiten Spiegelfläche 9 reflektierten Lichtstrahlen (erneut) auf die erste Spiegelfläche 8 (also die Seite BC) des Prismas 3 treffen, was es gerade zu vermeiden gilt.
Die Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist und in 6 anhand des dortigen Prismas 3 illustriert ist, weicht von der in 10 gezeigten für die Bauhöhe optimalen Ausgestaltung des Prismas ab, und zwar in dem Sinn, dass bewusst in Kauf genommen wird, dass die Höhe H2 (vgl. 8) größer ausfällt als eigentlich geometrisch notwendig. Dies wird dadurch erreicht, dass die Grundseite 18 etwas länger als die Höhe H1 des Eintrittsfensters 10 gewählt wird, sodass für ein Verhältnis der Länge L1 dieser Grundseite 18 (vgl. 8) und einer Höhe H1 der Eintrittsfläche 10 des Prismas 3 gilt L1/H1 >1,5. Hieraus resultiert automatisch ein Verkippungswinkel α der ersten Spiegelfläche 8, der kleiner ausfällt als die besagten 22,5°, die in 10 illustriert sind.
Wie man gerade anhand der 4 gut erkennt, resultiert die Ausrichtung der Flächennormalen des distalen Bildsensors 2b senkrecht zur Längsachse 27 des Endoskops 1 in einer besonders kompakten Bauform quer zu dieser Längsachse 27, da der „footprint“ des Bildsensors 2b in der Regel sehr viel größer ist als die nutzbare aktive Fläche 40 des Bildsensors 2a/2b. Dies erkennt man etwa gut in der Aufsicht auf den proximal angeordneten Bildsensor 2a in 7, in welcher die aktive Bildsensorfläche 40 des Bildsensors 2a als auch dessen Außenmaße innerhalb des von dem Endoskopschaft 36 zur Verfügung gestellten Bauraums zu erkennen sind. Ferner sieht man, dass die beiden optischen Kanäle 16a und 16b, die von der Abbildungsoptik 31 bereits ausgebildet werden und von dem Prisma 3 weitergeleitet werden, nur jeweilige kreisrunde Abbildungsbereiche 39a und 39b auf der rechteckigen Bildsensorfläche 40 des Bildsensors 2a ausleuchten. Es ist hier gut vorstellbar, dass mit diesem erfindungsgemäßen Ansatz 3D-Bilder bzw. stereoskopische Bilder aufgezeichnet werden können, d.h. der in 7 gezeigte Bildsensor 2a ist zur Erfassung von 3D-Bildern eingerichtet.
Zudem erkennt man in den 2 und 3 anhand der dortigen kreisrunden Abbildungsbereichen 39 des dortigen distal angeordneten Bildsensors 2b, aber auch anhand der entsprechenden Kreise in der 5, dass somit stereoskopische Bilder in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen aufgezeichnet werden können. Denn der distale Bildsensor 2b erfasst sensorisch nur diejenigen Wellenlängen, die von der ersten Spiegelfläche 8 des Prismas 3 reflektiert bzw. umgelenkt werden, während der proximal angeordnete Bildsensor 2a nur diejenigen Wellenlängen sensorisch erfasst, die von dieser ersten Spiegelfläche 8 transmittiert werden. Dies erkennt man gut, wenn man den beiden Abbildungsstrahlengängen 4a und 4b in 5 durch das Prisma 3 und den hieran sich anschließenden Glaskörper 19 folgt.
Bei allen drei gezeigten Ausführungsbeispielen der 2-4 lenkt wenigstens ein Prisma 3, nämlich entweder das gemeinsam genutzte Prisma 3 oder aber das jeweils zugeordnete getrennte Prisma 3a/3b im Falle der 2, jeweils einen der beiden optischen Kanäle 16a und 16b nicht nur auf den proximalen Bildsensor 2a, sondern auch auf den distalen Bildsensor 2b. Mit anderen Worten „sieht“ somit jeder der beiden Bildsensoren 2a und 2b das beobachtete Objekt 37 sowohl durch den linken optischen Kanal 16a als auch durch den rechten optischen Kanal 16b, sodass jeder der beiden Bildsensoren 3D-Bilder liefern kann.
Die beiden optischen Kanäle 16a und 16b können dabei durch gemeinsam genutzte optische Elemente oder aber durch getrennt angeordnete optische Elemente, etwa die in den 2 und 3 gezeigten Stablinsen, realisiert werden. Die Funktion des Prismas 3 ist jedoch in allen diesen Fällen gleich, nämlich das Prisma 3 separiert zwei unterschiedliche Wellenlängenbereiche mithilfe der wellenlängenselektiven ersten Spiegelfläche 8, sodass diese beiden Wellenlängenbereiche jeweils von den beiden Bildsensoren 2a und 2b sensorisch erfasst werden können. Somit wirkt das Prisma 3, genauer die wellenlängenselektive Spiegelfläche 8, als optischer Strahlteiler.
Wie bereits zuvor detailliert beschrieben, ist der Verkippungswinkel α gerade bei Ausgestaltung der ersten Spiegelfläche 8 als dichroitischer Filter ein wichtiger Parameter, der die Qualität der Bildgebung beeinflusst, die mit dem distalen Bildsensor 2b noch erzielt werden kann. Um hier Abbildungsfehler zu vermeiden ist es günstig, den Verkippungswinkel α vergleichsweise klein zu wählen, etwa <20° oder sogar <15°. Hierbei hängt die für eine optimale Bildgebung noch zulässige Größe des Verkippungswinkels α nicht zuletzt davon ab, wie groß die Bandbreite an Wellenlängen ist, die von der wellenlängenselektiven Spiegelfläche 8 umgelenkt werden muss.
Darüber hinaus ist für die Vermeidung von Aberrationen auch wichtig, dass Abbildungsstrahlen, die durch die distale Eintrittsfläche 10 in das Prisma 3 eintreten, nur in vergleichsweise kleinen Einfallswinkeln auf die erste Spiegelfläche 8 treffen. Hierzu ist es wie gesagt günstig, den Verkippungswinkel α klein zu wählen, also die erste Spiegelfläche 8 vergleichsweise steil zur Längsachse 27 des Endoskops 1 auszurichten.
Gleichzeitig ist es aber für eine hohe Abbildungsqualität günstig, wenn das Spektrum an einfallende Winkeln ohnehin limitiert ist. Hierzu wird insbesondere vorgeschlagen, wie man etwa in dem Ausgestaltungsbeispiel der 4 erkennt, die dem Prisma 3 vorgelagerte Abbildungsoptik 31 so auszugestalten, dass diese ein Winkelspektrum des zweiten Abbildungsstrahlengang 4b, bezogen auf einen Hauptstrahl 6a des ersten Abbildungsstrahlengang 4a, auf +/-10° oder sogar noch geringere Werte begrenzt. Dies gelingt auch dann, wenn das Visualisierungssystem 1 beispielsweise als ein Weitwinkel-Endoskop 1 ausgestaltet ist mit einem Weitwinkelobjektiv 32, welches einen Feldwinkel von wenigstens 60° oder sogar wenigstens 70° beobachten kann. Selbst bei Verwendung einer Schrägsicht, wie in dem Beispiel der 4, kann ein solches Weitwinkelobjektiv 32 noch so ausgestaltet werden, dass es bildseitig das Winkelspektrum der Abbildungsstrahlen auf höchstens +/-20° begrenzt, was dann die Bandbreite an Winkeln darstellt, die auf die nachfolgende Abbildungsoptik 31 einfallen.
Abschließend sei noch erwähnt, dass die jeweiligen optischen Pfadlängen der Hauptstrahlen 6a und 6b der beiden Abbildungsstrahlengänge 4a und 4b, jeweils gemessen von der Eintrittsfläche 10 des Prismas 3 bis zur jeweiligen Sensorfläche 40 des jeweiligen Bildsensors 2a/2b, nicht zwingend annähernd gleich lang ausgebildet sein müssen. So kann die Abbildungsoptik 31 beispielsweise zwei Abbildungsstrahlengänge 4a und 4b in den beiden unterschiedlichen Wellenlängenbereichen liefern, die eine erhebliche optische Pfadlängendifferenz nΔL aufweisen. Dies wird beispielsweise dann der Fall sein, wenn die dem Prisma 3 vorgelagerte Abbildungsoptik 31 gerade nicht mit hohem Aufwand für die beiden Wellenlängenbereiche optisch korrigiert ist und somit unterschiedliche mittlere bildseitige Schnittweiten (back focal length = BFL) für den ersten und zweiten Wellenlängenbereich erzeugt. Auch in einem solchen Fall kann jedoch durch entsprechende Dimensionierung, etwa des hinteren Glaskörpers 19, nicht nur der distale Bildsensor 2b sondern auch der proximale Bildsensor 2a in der jeweiligen Fokusebene (die für den jeweiligen Spektralbereich besteht) platziert werden, sodass mit beiden Bildsensoren 2a/2b, d.h. in beiden Wellenlängenbereichen, jeweils scharfe Bilder aufgezeichnet werden können.
Zusammenfassend wird zur verbesserten Bildgebung in einem Visualisierungssystem 1, insbesondere einem Chip-in-Tip-Endoskop 1, mit zwei voneinander axial in Bezug auf eine Längsachse 27 des Visualisierungssystems 1 beabstandeten Bildsensoren 2a und 2b, die einen jeweiligen Abbildungsstrahlengang 4a und 4b sensorisch erfassen, der von einer zugeordneten, einem Umlenk-Prisma 3 vorgelagerten Abbildungsoptik 31 erzeugt wird, vorgeschlagen, dass eine Bauhöhe des Prismas 3 suboptimal ausgestaltet wird, um so Abbildungsfehler bei Verwendung einer wellenlängenselektiven ersten Spiegelfläche 8 des Prismas 3 abmildern zu können. Zudem wird alternativ oder ergänzend vorgeschlagen, mittels der Abbildungsoptik 31 zwei optische Kanäle 16a und 16b auszubilden, durch die die Bildsensoren 2a und 2b, vorzugsweise in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, jeweils Bilder eines mit dem Visualisierungssystem 1 beobachteten Objekts 37 aus unterschiedlichen Perspektiven erfassen können.
Bezugszeichenliste

1: Visualisierungssystem, insbesondere Endoskop
2a: (erster) proximal angeordneter Bildsensor
2b: (zweiter) distal angeordneter Bildsensor
3: Prisma
4a: erster Abbildungsstrahlengang (endet in 2a)
4b: zweiter Abbildungsstrahlengang (endet in 2b)
5: distaler Endbereich (von 1)
6a: Hauptstrahl (von 4a)
6b: Hauptstrahl (von 4b)
7: Kreuzungspunkt (von 6a und 6b)
8: erste, insbesondere interne, Spiegelfläche (von 3)
9: zweite, insbesondere externe, Spiegelfläche (von 3)
10: distale Eintrittsfläche (am distalen Ende von 3)
11: Frontoptik
12: proximale Austrittsfläche (von 3, gegenüberliegend zu 10)
13: distale Austrittsfläche (von 3)
14: erste Reflexion (von 4b)
15: zweite Reflexion (von 4b)
16a: linker optischer Kanal
16b: rechter optischer Kanal
17a: linke Linsenanordnung (zur Ausbildung von 16a)
17b: rechte Linsenanordnung (zur Ausbildung von 16b)
18: Grundseite (von 3, an welcher 13 ausgebildet ist)
19: Glaskörper
20: Eintrittsfläche (von 19)
21: Austrittsfläche (von 19)
22: optische Achse (von 3 bzw. 4a)
23: proximales Ende (von 3)
24: distales Ende (von 3)
25: einfallender Strahl (fällt ein auf 8)
26: reflektierter Strahl (reflektiert von 9)
27: Längsachse (von 1)
28: Flächennormale (von 8)
29: Flächennormale (von 9)
30: reflektierter Strahl (reflektiert von 8)
31: Abbildungsoptik
32: Weitwinkelobjektiv
33: Kamerakontrolleinheit
34: Monitor
35: Handteil
36: Endoskopschaft
37: Objekt
38: Flex-PCB
39: Abbildungsbereich (auf 2a/2b)
40: Bildsensorfläche (= aktive Fläche von 2a/2b)
41: weiteres Prisma
42: Deckglas
43: Objektivlinsensystem
44: Videokabel

Claims

Visualisierungssystem (1), insbesondere ausgestaltet als ein Chip-in-Tip(CIT)-Endoskop (1), umfassend, - einen proximalen Bildsensor (2a) und einen distalen Bildsensor (2b) sowie - wenigstens ein Prisma (3), das einen ersten Abbildungsstrahlengang (4a) auf den proximalen Bildsensor (2a) und einen zweiten Abbildungsstrahlengang (4b) auf den distalen Bildsensor (2b) lenkt, dadurch gekennzeichnet, - dass der zweite Abbildungsstrahlengang (4b), nach Eintritt in das wenigstens eine Prisma (3) durch eine distale Eintrittsfläche (10), mittels einer ersten Reflexion (14) an einer wellenlängenselektiven ersten Spiegelfläche (8) des Prismas (3) umgelenkt wird und aus einer distalen Austrittsfläche (13), welche an einer Grundseite (18) des wenigstens einen Prismas (3) ausgebildet ist, aus dem wenigstens einen Prisma (3) austritt und - dass für ein Verhältnis einer Länge L1 der Grundseite (18) und einer Höhe H1 der Eintrittsfläche (10) gilt: $L1 / H1 > 1,5.$
Visualisierungssystem (1) nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, vorzugsweise gemäß Anspruch 1, - wobei das Visualisierungssystem (1) zur Erzeugung von 3D-Bildern, insbesondere zum stereoskopischen Sehen, einen linken optischen Kanal (16a) und einen rechten optischen Kanal (16b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, - dass das wenigstens eine Prisma (3) einen oder beide der optischen Kanäle (16a, 16b) sowohl auf den proximalen Bildsensor (2a) als auch auf den distalen Bildsensor (2b) umlenkt, - sodass mit jedem der beiden Bildsensoren (2a, 2b) - 3D-Bilder und/oder - stereoskopische Bilder, insbesondere in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, aufgezeichnet werden können.
Visualisierungssystem (1) nach Anspruch 2, - wobei zwei separate distale Linsenanordnungen (17a, 17b) jeweils den linken beziehungsweise rechten optischen Kanal (16a, 16b) ausbilden oder - wobei eine gemeinsame distale Linsenanordnung (17) beide optischen Kanäle (16a, 16b) ausbildet.
Visualisierungssystem (1) nach Anspruch 2 oder 3, - wobei ein gemeinsames Prisma (3) für beide optischen Kanäle (16a, 16b) jeweils den ersten Abbildungsstrahlengang (4a) auf den proximalen Bildsensor (2a) und den zweiten Abbildungsstrahlengang (4b) auf den distalen Bildsensor (2b) lenkt oder - wobei zwei Prismen (3a, 3b) für jeweils einen der beiden optischen Kanäle (16a, 16b) jeweils den ersten Abbildungsstrahlengang (4a) auf den proximalen Bildsensor (2a) und den zweiten Abbildungsstrahlengang (4b) auf den distalen Bildsensor (2b) lenken, - insbesondere um so zwei unterschiedliche Wellenlängenbereiche voneinander zu separieren, die von den beiden Bildsensoren (2a, 2b) jeweils sensorisch erfasst werden.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Flächennormale (28) der ersten Spiegelfläche (8) mit einer optischen Achse (22) des ersten Abbildungsstrahlengangs (4a) einen Winkel α einschließt für den gilt: α ≤ 20°, vorzugsweise α ≤ 15°.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der proximale Bildsensor (2a) einen ersten Wellenlängenbereich und der distale Bildsensor (2b) einen vom ersten Wellenlängenbereich abweichenden zweiten Wellenlängenbereich sensorisch erfasst, - insbesondere wobei die erste Spiegelfläche (8) den ersten Wellenlängenbereich transmittiert und den zweiten Wellenlängenbereich reflektiert und/oder - wobei sich die beiden Bildsensoren (2a, 2b), insbesondere aufgrund unterschiedlicher Filter auf Pixellevel, in ihrer jeweiligen spektralen Sensitivität unterscheiden.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Abbildungsstrahlengang (4b), nach Reflexion an der ersten Spiegelfläche (8), an einer zweiten, insbesondere externen, Spiegelfläche (9) des Prismas (3) erneut reflektiert wird, - insbesondere sodass der zweite Abbildungsstrahlengang (4b) den ersten Abbildungsstrahlengang (4a) kreuzt, - vorzugsweise wobei die erste Spiegelfläche (8) eine interne Spiegelfläche ist und/oder wobei die erste Reflexion des zweiten Abbildungsstrahlengangs (4b) auf einer internen Totalreflexion beruht.
Endoskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich jeweilige Hauptstrahlen (6a, 6b) der beiden Abbildungsstrahlengänge (4a, 4b) in einem Kreuzungspunkt (7) innerhalb des Prismas (3) kreuzen, - insbesondere sodass ein von einer zweiten Spiegelfläche (9) des Prismas (3) reflektierter Strahl (26) denjenigen einfallenden Strahl (25) kreuzt, aus dem der reflektierte Strahl (26) mittels der ersten Spiegelfläche (8) abgezweigt wurde.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Flächennormale des proximalen Bildsensors (2a) entlang einer Längsachse (27) des Visualisierungssystems (1), insbesondere des Endoskops (1), ausgerichtet ist und eine zweite Flächennormale des distalen Bildsensors (2b) quer, insbesondere senkrecht, zur Längsachse (27) steht.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine jeweilige optische Pfadlänge der Hauptstrahlen (6a, 6b) der beiden Abbildungsstrahlengänge (4a, 4b), gemessen von der Eintrittsfläche (10) des Prismas (3) bis zu einer jeweiligen Sensorfläche des proximalen Bildsensors (2a) beziehungsweise des distalen Bildsensors (2b), gleich lang ausgebildet ist, - vorzugsweise wobei eine Abbildungsoptik (31) des Visualisierungssystems (1), die die beiden Abbildungsstrahlengänge (4a, 4b) liefert, für den ersten und zweiten Wellenlängenbereich korrigiert ist.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich eine jeweilige optische Pfadlänge der Hauptstrahlen (6a, 6b) der beiden Abbildungsstrahlengänge (4a, 4b), gemessen von der Eintrittsfläche (10) des Prismas (3) bis zu einer jeweiligen Sensorfläche des proximalen Bildsensors (2a) beziehungsweise des distalen Bildsensors (2b), um eine optische Pfadlängendifferenz nΔL unterscheiden, - insbesondere wobei eine Abbildungsoptik (31) des Visualisierungssystems (1), die die beiden Abbildungsstrahlengänge (4a, 4b) liefert, unterschiedliche mittlere bildseitige Schnittweiten (back focal length = BFL) für den ersten und zweiten Wellenlängenbereich liefert, vorzugsweise wobei die optische Pfadlängendifferenz nΔL diese Schnittweitenunterschiede optisch kompensiert.
Visualisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine dem Prisma (3) vorgelagerte Abbildungsoptik (31) ein Winkelspektrum des zweiten Abbildungsstrahlengangs (4b) bezogen auf einen Hauptstrahl (6a) auf +/- 10°, vorzugsweise auf +/- 8°, besonders bevorzugt auf +/- 6° begrenzt, - vorzugsweise wobei ein mit dem Visualisierungssystem (1) beobachtbarer Feldwinkel wenigstens 60°, vorzugsweise wenigstens 70° beträgt, - insbesondere wobei ein der Abbildungsoptik (31) vorgelagertes Weitwinkelobjektiv (32) den Feldwinkel bildseitig auf ein Winkelspektrum von Abbildungsstrahlen von kleiner +/- 20°, vorzugsweise kleiner +/- 18°, reduziert.