DE19729002A1

DE19729002A1 - Endoskop mit wenigstens einem Umkehrsystem mit inhomogenem Brechungsindex

Info

Publication number: DE19729002A1
Application number: DE19729002A
Authority: DE
Inventors: Fang Lei
Original assignee: Karl Storz SE and Co KG
Current assignee: Karl Storz SE and Co KG
Priority date: 1996-07-28
Filing date: 1997-07-07
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2017-07-08
Also published as: DE19729002B4

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich ein Endoskop gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Ein gattungsgemäßes Endoskop ist aus der US-PS 4,783,154 bekannt. Diese bekannte Endoskop weist ein distal ange ordnetes Objektiv und ein optisches Übertragungssystem auf, das das Bild des am distalen Ende angeordneten Ob jektivs zum proximalen Ende, d. h. zu dem außerhalb des Hohlraums befindlichen Ende überträgt. Das Übertragungs system weist wenigstens ein Umkehrsystem auf, das aus zwei symmetrischen Gliedern besteht, von denen jedes aus einer Stablinse und einer optisch dünnen plankonkaven Linse besteht. Die Stablinsen, die u. a. plane Stirnflä chen aufweisen können, bestehen aus einem Material mit variierendem bzw. inhomogenem Brechungsindex. Auf die US-PS 4,783,154 und den auf dem Deckblatt dieser Druck schrift genannten Stand der Technik wird im übrigen zur Erläuterung aller hier nicht näher beschriebenen Einzel heiten ausdrücklich verwiesen.

Unter Umkehrsystem - auch als Relaislinsensystem bezeich net - wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein opti sches System verstanden, das eine 1 : 1-Abbildung ausführt. In Endoskopen werden in der Regel mehrere - bevorzugt ei ne ungerade Zahl von Umkehrsystemen - zu einem Übertra gungssystem mit einer der Zahl der Umkehrsysteme entspre chenden Zahl von Bildumkehrungen zusammengesetzt.

Bei bekannten Endoskopen mit ausschließlich aus homogenem Material bestehenden Linsen bestehen die beiden Glieder jedes Umkehrsystems häufig aus mehr als aus zwei Elemen ten. Bei dem aus der US-PS 4,783,154 bekannten gattungs gemäßen Endoskop steht ausschließlich der Ersatz von meh reren Linsenelementen herkömmlicher Endoskope durch we nigstens ein Linsenelement mit inhomogenem Brechungsin dex, nicht jedoch die Verbesserung der "Abbildungslei stung" verglichen mit bekannten Endoskopen im Vorder grund.

Ferner ist es aus dem Artikel "Correction of chromatic Aberrations in GRIN endoscopes" von Dennis C. Leiner und Rochelle Prescott, erschienen in APPLIED OPTICS, Vol. 22, No. 3, S.383 ff., bekannt, chromatische Bildfehler durch den Einsatz von Linsen zu verringern, die aus einem Mate rial mit inhomogenem, d. h. variierendem Brechungsindex bestehen.

Bei Endoskopen, wie sie in der Medizin oder in der Tech nik zur Beobachtung in Hohlräumen, wie Körperhöhlen, Brennräumen von Motoren, Düsentriebwerken etc. eingesetzt werden, steht jedoch nicht die Korrektur chromatischer Bildfehler, sondern folgendes Problem im Vordergrund:
Je nach Anwendungsfall müssen Endoskope mit unterschied licher Länge eingesetzt werden. Um den Aufbau der Endo skope "standardisieren" zu können, ist es allgemein üb lich, Endoskope unterschiedlicher Länge mit einer unter schiedlichen Zahl (1, 3, 5, . . .) von Umkehrsystemen zu versehen, wobei die Umkehrsysteme unabhängig von der Län ge des Endoskops immer identisch ausgebildet sind.

Die bislang tatsächlich eingesetzten Umkehrsysteme haben eine bestimmte Bildfeldkrümmung bzw. -wölbung. Die kumu lierte Bildfeldkrümmung des Übertragungssystems ist damit von der Zahl der eingesetzten Umkehrsysteme abhängig. Bei den bekannten derzeit kommerziell erhältlichen Endoskopen wird die Bildfeldkrümmung des Übertragungssystems, d. h. die "aufaddierten bzw. kumulierten Bildfeldkrümmungen" der Umkehrsystems durch eine entgegengesetzte Bildfeld krümmung des jeweiligen Objektivs "kompensiert". Dies be deutet, daß die Hersteller von Endoskopen für "unter schiedlich lange" Endoskope unterschiedliche Objektive einsetzen und damit bereit halten müssen, um Endoskope mit einer Länge und damit einer unterschiedlichen Zahl von Umkehrsystemen entsprechend dem jeweiligen Anwen dungsfall auf Bestellung kurzfristig fertigen zu können. Ein weiterer, nicht zu vernachlässigender Kostenaufwand resultiert aus der Berechnung einer Mehrzahl eigentlich - beispielsweise hinsichtlich des Blickwinkels und/oder des Bildwinkels - gleicher Objektive, die sich nur hinsicht lich ihrer Bildfeldkrümmung unterscheiden.

Diese Lagerhaltungs- und Berechnungsprobleme ließen sich umgehen, wenn jedes Umkehrsystem und damit auch das Über tragungssystem keine bzw. eine vernachlässigbar kleine Bildfeldkrümmung hätten. Damit könnte unabhängig von der Länge des Endoskops immer das selbe Objektiv Verwendung finden.

Aus der Literatur und insbesondere der Patentliteratur sind verschiedene Vorschläge für Umkehrsysteme für Endo skope bekannt, die keine bzw. eine vernachlässigbar klei ne Bildfeldkrümmung aufweisen. Die bekannten Vorschläge haben jedoch den Nachteil, daß sie eine vergleichsweise hohe Zahl von Linsen für jedes Umkehrsystem erfordern, so daß die Herstellkosten für kommerzielle Anwendungen in der Technik oder Medizin zu hoch sind.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Endoskop anzugeben, dessen optisches Übertragungssystem aus Um kehr- bzw. Relaislinsensystemen besteht, deren Bildfeld krümmung so gering ist, daß auch bei einer stark unter schiedlichen Zahl von Umkehr- bzw. Relaislinsensystemen keine Kompensation der Bildfeldkrümmung bzw. -wölbung des Übertragungssystems durch das distal angeordnete Objektiv erforderlich ist, so daß unabhängig von der Zahl der Um kehr- bzw. Relaislinsensysteme immer das selbe Objektiv eingesetzt werden kann.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Pa tentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 folgende.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die gestellte Aufgabe dadurch gelöst werden kann, daß von einem Endo skop gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausge gangen und dieses Endoskop dadurch weitergebildet wird, daß die Stablinsen aus einem Material mit positiver Dis persion und in Radialrichtung inhomogenem Brechungsindex bestehen. Weiterhin sind die optisch dünnen Linsen plan konvexe Linsen.

Der Brechungsindex, der in Radialrichtung (also senkrecht zur optischen Achse) variiert, nimmt als Funktion der Wellenlänge mit zunehmender Wellenlänge ab.

Dabei geht die Erfindung von folgender Grundüberlegung aus:
Ein herkömmliches Umkehrsystem mit örtlich nicht variie rendem Brechungsindex, das zwei zur Blende symmetrische Glieder aufweist, von denen jedes eine Stablinse auf weist, - wie es beispielsweise von Hopkins vorgeschlagen worden ist und derzeit von einer Reihe von Herstellern gefertigt wird - weist eine starke Bildfeldwölbung und einen großen Astigmatismus auf. Diese Bildfehler müssen durch ein kompliziertes Design des Objektivs kompensiert werden.

Andererseits weisen Umkehrsysteme mit Stablinsen bzw. Stäben mit inhomogenem Brechungsindex (GRIN-Stäbe) Farb fehler auf, die ebenfalls durch das Objektiv kompensiert werden müssen.

Erfindungsgemäß werden die Nachteile der bekannten Um kehrsysteme dadurch vermieden, daß anstelle einer Stablinse bei herkömmlicher Ausgestaltung ein GRIN-Stab verwendet wird, der eine positive Dispersion und damit einen überkorrigierten Farblängsfehler aufweist. Durch die Inhomogenität des Brechungsindex ist es möglich, bei planen Endflächen die gewünschte optische Wirkung zu er zielen und dennoch den Astigmatismus und die Bildfeldwöl bung praktisch vollständig zu korrigieren. Die dünne plankonvexe Linse, die einen unterkorrigierten Farblängs fehler aufweist, dient im wesentlichen zur Korrektur des Farblängsfehlers des GRIN-Stabs.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Umkehr- bzw. Relaislinsensysteme ist es damit möglich, nicht nur die chromatischen Bildfehler von Übertragungssystemen von En doskopen zu korrigieren, sondern auch die Bildfeldkrüm mung bzw. -wölbung jedes Umkehrsystems so klein zu hal ten, daß auch bei einer stark unterschiedlicher Zahl von Umkehrsystemen und damit über eine große Variationsbreite von Endoskoplängen keine unterschiedlichen Objektive er forderlich sind: In der Praxis kann aufgrund der erfin dungsgemäßen Ausbildung der Umkehrsysteme für Endoskope bei zwischen 1 und 15 Umkehr- bzw. Relaislinsensystemen das selbe Objektiv verwendet werden, ohne daß inakzepta ble Bildfehler und insbesondere Bildfeldwölbungen auftre ten würden.

Da alle Bildfehler im Umkehrsystem korrigiert sind, er hält man ein modulares Umkehrsystem, das in einer prak tisch beliebigen Zahl zu einem Übertragungssystem kombi niert werden kann!

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprü che 2 folgende:
Gemäß Anspruch 2 ist die plane Fläche der jeweiligen dün nen Linse der Stablinse des selben Gliedes zugekehrt.

Dies vereinfacht den Aufbau der einzelnen Umkehrsysteme insbesondere dann, wenn gemäß Anspruch 3 die Stablinse und die dünne Linse jedes Gliedes verkittet sind, be trächtlich. Aber auch dann, wenn die beiden Linsen nicht verkittet sind, wird der Zusammenbau durch einfacher auf gebaute Abstandshalter vereinfacht.

Der erfindungsgemäße Aufbau hat den weiteren Vorteil, daß es nicht erforderlich ist, daß auch die dünne Linse aus einem Material mit inhomogenem Brechungsindex besteht. Somit kann gemäß Anspruch 4 die dünne plankonvexe Linse vergleichsweise einfach aufgebaut sein und aus einem Ma terial mit homogenem Brechungsindex bestehen.

Im Anspruch 5 ist eine Bedingung für den Krümmungsradius r der gekrümmten Fläche der plankonvexen Linse mit einer axialen Dicke d angegeben. Gemäß der erfindungsgemäß auf gefundenen Ungleichung gilt:

mit

dabei bedeuten:
n_g Brechungsindex des inhomogenen Materials auf der optischen Achse,
v_g Abbe′sche Zahl des inhomogenen Materials auf der optischen Achse,
n_l Brechungsindex des Materials der dünnen Linse,
v_l Abbe′sche Zahl des Materials der dünnen Linse,
ΔL_CF die axiale Farbaberration des inhomogenen Mate rials.

Die Korrektur der Farbaberration bei gleichzeitiger Eb nung des Bildfeldes wird weiter verbessert, wenn für die Beträge der Brennweite f_g der Stablinse aus einem Material mit einem inhomogenem Brechungsindex und der Brennweite f_l der dünnen Linse gemäß Anspruch 6 gilt:

|f_g/f_l| < 0,1

Im Anspruch 7 ist angegeben, daß der Brechungsindex des inhomogenen Materials der Stablinsen ausgehend von der optischen Achse nach außen, also mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse abnimmt. Die Funktion der Abnahme kann dabei insbesondere einen wenigstens in etwa parabel förmigen Verlauf haben. Einen derartigen Verlauf kann man beispielsweise dadurch erhalten, daß man Glasstäbe aus einem geeigneten Grundmaterial in ein Ionenaustauscherbad einbringt. Durch den Ionenaustausch erhält man in Radial richtung - also normal zur Umfangsfläche der Glasstäbe - die gewünschte Änderung des Brechungsindex. Selbstver ständlich kann man anstelle von Glasstäben auch Stäbe aus einem Kunststoffmaterial einsetzen.

In den Ansprüchen 9 und 10 sind Materialdaten für ein kommerziell erhältliches Material mit inhomogenem Bre chungsindex angegeben, das für die Realisierung der Er findung besonders vorteilhaft ist:
Gemäß Anspruch 9 hat der Brechungsindex auf der optischen Achse für die Wellenlänge λ = 587,6 nm den Wert 1,5359, der bei einem Abstand |r| = 1,35 mm von der optischen Achse um 2,8_*10^-3 abgenommen hat. Eine derartige Variation des Brechungsindex läßt sich mit bekannten Methoden für die Erzeugung eines variierenden Brechungsindex realisie ren und ist für Endoskope, die einen Durchmesser von ca. 1,5 bis mehr als 8 mm, bevorzugt 4 mm haben, besonders ge eignet.

Im Anspruch 10 ist eine bevorzugte Möglichkeit für die Wellenlängen-Abhängigkeit des Brechungsindex angegeben, gemäß der gilt:

n (λ = 468,1 nm) = 1,5430
n (λ = 587,6 nm) = 1,5359
n (λ = 656,3 nm) = 1,5329

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt
einen Linsenschnitt durch Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Bei den in der Figur dargestellten Ausführungsbeispielen ist pauschal mit dem Bezugszeichen 1 ein Objektiv bezeichnet, das am distalen Ende eines nicht näher darge stellten Endoskops angeordnet ist, und ein Bild einer nicht dargestellten Szene in eine Bildebene 2 abbildet.

Die Bildebene 2 wird von einer Mehrzahl von Relaislinsen bzw. Umkehrsystemen, die nachstehend noch näher beschrie ben werden, und von denen jedes eine 1 : 1-Abbildung aus führt, bis zum proximalen Ende des Endoskops abgebildet.

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist lediglich ein Umkehrsystem dargestellt, das aus den Linsenelementen 3, 4, 6 und 7 besteht, und das die Ebene 2 in die (weitere) Bildebene 8 abbildet.

Mit 5 ist die Blende des (dargestellten) Umkehrsystems bezeichnet.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das Umkehr system aus zwei Gliedern, die bezüglich der Blende 5 sym metrisch sind. Jedes Glied weist einen Stab 3 bzw. 7 mit planen Stirnflächen auf, der aus einem Material mit inho mogenem Brechungsindex besteht; insbesondere weist der Brechungsindex eine Abnahme ausgehend von der optischen Achse in Radialrichtung, also senkrecht zur optischen Achse auf, wobei die Variationsfunktion rotationssymme trisch ist.

An die der Blende 5 zugekehrte Stirnfläche der Stäbe 3 bzw. 7 ist eine plankonvexe Linse 4 bzw. 6 angekittet, die "optisch dünn" ist.

Wie bereits ausgeführt, besteht jeder der beiden Stäbe 3 bzw. 7 aus einem Material mit inhomogenem Brechungsindex, während die Linsen 4 bzw. 6 aus einem Material mit homo genem Brechungsindex bestehen.

In den folgenden Tabellen sind numerische Daten für drei Ausführungsbeispiele angegeben:

1. Ausführungsbeispiel

2. Ausführungsbeispiel

3. Ausführungsbeispiel

Die Flächennummern i sind von der der Ebene 2 zugekehrten Stirnfläche (Nummer 1) des Stabs 3 bis zu der der Ebene 8 zugekehrten Stirnfläche (Nummer 6) des Stabs 7 "durchge zählt". In üblicher Weise sind Kittflächen nur einmal aufgeführt. Der in der Zeile mit einer Flächen-Nummer i angegebene Abstand ist die Linsendicke bzw. der sog. Luftabstand zwischen den auf der optischen Achse gelege nen Scheiteln der Flächen i und (i+1). Entsprechend sind der Brechungsindex n und die Abbe′sche Zahl v die Materi aldaten des Materials zwischen den Flächen i und (i+1).

In den Tabellen sind die Flächenradien und die Abstände bzw. Dicken in Millimeter angegeben. Die Brechungsindices n und die Abbe′schen Zahlen sind jeweils für die Wellen länge λ = 587,6 nm angegeben.

In der folgenden Tabelle sind die optischen Eigenschaf ten, nämlich die laterale sphärische Aberration δ_y, der Farbfehler und die sagittale (S) und tangentiale (T) Bildfeldwölbung der vorstehend numerisch angegebenen drei Ausführungsbeispiele mit einem herkömmlichen Umkehrsystem aus homogenem Material, wie es in einem kommerziell er hältlichen System eingesetzt wird, verglichen. Weiterhin sind die entsprechenden Daten für einen Stab 3 bzw. 7 aus inhomogenem Material angegeben:

Zusammenstellung verschiedener Bildfehler

Die vorstehende Tabelle "Zusammenstellung verschiedener Bildfehler" zeigt, daß die erfindungsgemäßen Systeme ver glichen mit herkömmlichen, derzeit in Endoskopen einge setzten Systemen bei geringfügig größerer - aber in der Praxis vernachlässigbar kleiner - lateraler sphärischer Aberration und geringfügig größerem - in der Praxis eben falls vernachlässigbarem - Farbfehler eine um bis zu 2 Größenordnungen geringere Bildfeldwölbung in tangentialer und sagittaler Richtung haben.

Damit können die erfindungsgemäßen Umkehrsysteme in stark unterschiedlicher Zahl - in der Praxis zwischen 1 und 15 - zu einem Übertragungssystem kombiniert werden, ohne daß die kumulierte Bildfeldwölbung durch eine "entgegenge setzte Bildfeldwölbung" des Objektivs 1 kompensiert wer den müßte.

Im Gegensatz zu bekannten Objektiven von Endoskopen muß damit das Objektiv 1 keine - für eine bestimmte Zahl von Umkehrsystemen vorgegebene - tangentiale und laterale Bildfeldwölbung haben.

Damit ist ein modularer Aufbau von unterschiedlich langen Endoskopen mit entsprechend unterschiedlicher Zahl von Umkehrsystemen aus einer einzigen Art von Umkehrsystemen und einem einzigen Objektivtyp (für jede Blickrichtung) möglich. Darüberhinaus wird die Berechnung des Objektivs vereinfacht.

Claims

1. Endoskop mit

- einem distal angeordneten Objektiv und
- einem optischen Übertragungssystem, das das Bild des Objektivs zum proximalen Ende überträgt, und das we nigstens ein Umkehrsystem aufweist, wobei
- jedes Umkehrsystem aus zwei symmetrischen Gliedern besteht,
- von denen jedes Glied aus einer Stablinse mit planen Stirnflächen und einer optisch dünnen Linse besteht, die eine plane Fläche aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Stablinsen aus einem Ma terial mit positiver Dispersion und in Radialrichtung in homogenem Brechungsindex bestehen, und daß die optisch dünnen Linsen plankonvexe Linsen sind.

2. Endoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die plane Fläche der dünnen Linsen der Stablinse desselben Gliedes zugekehrt ist.

3. Endoskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stablinse und die dünne Linse jedes Gliedes verkittet sind.

4. Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Linse aus einem Ma terial mit homogenem Brechungsindex besteht.

5. Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den Krummungsradius r der gekrümmten Fläche der plankonvexen Linse mit einer axia len Dicke d gilt: mit dabei bedeuten:
n_g Brechungsindex des inhomogenen Materials auf der optischen Achse,
v_g Abbe'sche Zahl des inhomogenen Materials auf der optischen Achse,
n_l Brechungsindex des Materials der dünnen Linse,
v_l Abbe'sche Zahl des Materials der dünnen Linse,
ΔL_CF die axiale Farbaberration des inhomogenen Mate rials.

6. Endoskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Beträge der Brennwei te f_g der Stablinse aus Material mit einem inhomogenem Brechungsindex und der Brennweite f_l der dünnen Linse gilt: |f_g/f_l| < 0,1

7. Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des inho mogenen Materials ausgehend von der optischen Achse nach außen abnimmt.

8. Endoskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahme einen wenigstens in etwa parabelförmigen Verlauf hat.

9. Endoskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex auf der optischen Achse für die Wellenlänge λ = 587,6 nm den Wert 1,5359 hat, der bei einem Abstand |r| = 1,35 mm von der optischen Achse um 2,8_*10^-3 abgenommen hat.

10. Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Wellenlängen-Abhän gigkeit des Brechungsindex gilt: n(λ = 486,1 nm) = 1,5430
n(λ = 587,6 nm) = 1,5359
n(λ = 656,3 nm) = 1,5329.

11. Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das distal angeordnete Objek tiv derart aufgebaut ist, daß es praktisch keine Bild feldkrümmung bzw. -wölbung hat.