DE19830710A1 - Endoskopische Videokamera - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine endoskopische Videokamera.

Zur Darstellung von Objekten in einem Patientenmund auf einem Monitor wird eine endoskopartige Videokamera benötigt.

Aus der DE 34 34 412 ist ein optisches System für Endoskope zur Strahlumlenkung des Beobachtungsstrahlenganges bekannt, bei welchem am Ende des Endoskops ein Prisma mit Einfach- oder Mehrfachreflexion hinter einer Negativlinse angeordnet ist.

Aus der DE 195 32 400 ist ein Stereoendoskop mit abgewinkelter Blickrichtung bekannt, bei welchem am Ende des Endoskops ein Prisma mit Doppelreflexion hinter einer Positivlinse angeordnet ist.

In dem Gebrauchsmuster DE 295 20 922 ist eine zahnärztliche Videokamera zur intraoralen Betrachtung von Objekten in einem Patientenmund dargestellt, welche eine monoskopische Video­ kamera mit einem 90°-Umlenkprisma vor dem distalen Ende des Endoskoprohrs verwendet.

Dieses Umlenkprisma bewirkt eine einseitige Bildumkehr. Diese Bildumkehr wird nun vor dem Kamerachip durch ein zweites Prisma rückgängig gemacht, so daß das Bild wiederum höhen- und seiten­ richtig ist. Außerdem bewirkt dieses Prisma, daß der Chip im Kameragehäuse flach angeordnet werden kann, so daß "die aktive Sensorfläche etwa in einer parallel zur Längsachse des Hand­ instruments verlaufenden Ebene liegt".

Das Gebrauchsmuster betrifft im wesentlichen diese beiden Prismen und den flach liegenden Chip. Im weiteren sind im wesentlichen die speziellen Zuleitungen für die Videosignale und die Beleuchtung beschrieben.

Da im distalen Bereich die Strahlenbündel stark divergent sind, muß das Umlenkprisma dieser Lösung sehr groß ausgelegt werden, damit Vignettierungen und Bildfeldbeschnitt vermieden werden.

Des weiteren muß bei einer Drehung der Blickrichtung um die Endoskoprohrachse die Kamera samt Handstück als Ganzes gedreht werden, was natürlich eine schwierige Handhabung bedeutet und den Drehbereich stark einschränkt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine endoskopische Kamera zu schaffen, bei welcher bei einem großen Bildwinkel die Blick­ richtung um die Kameraachse gedreht werden kann, ohne die eigentliche Bildaufnahmeeinrichtung mitdrehen zu müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den ersten Patentanspruch gelöst.

Die erfindungsgemäße endoskopische Videokamera besitzt am distalen Ende ein Umlenkprisma mit einer einzigen Reflexions­ fläche für den seitlichen Ausblick und an ihrem proximalem Ende ein weiteres Prisma für die Kompensation der Bildumkehrung. Um vor der Kamera ein seitenrichtiges stereoskopisches Bild zu erhalten, muß die einseitige Bildumkehr des Umlenkprismas durch eine geeignete einseitige Bildumkehr des weiteren Prismas rück­ gängig gemacht werden. Das Umlenkprisma kann erfindungsgemäß sehr klein ausgeführt werden, was für viele Anwendungen sehr vorteilhaft ist.

Wenn das Umlenkprisma ein 90°-Prisma ist, erhält man eine exakt seitliche Aussicht, was insbesondere bei einer Verwendung des Endoskopes durch einen Dentisten (z. B. bei einer Wurzelkanal­ behandlung) sehr vorteilhaft ist.

Um einen räumlichen Eindruck zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die Videokamera eine stereoskopische Kamera ist.

Vorzugsweise ist das weitere Prisma für die Kompensation der einseitigen Bildumkehrung durch das Umlenkprisma ein Schmidt-Pechan-Prisma, da bei diesem die Lage und Richtung der optischen Achse nicht verändert wird.

Bevorzugt ist die Videokamera eine intraorale Kamera, da eine derartige Kamera ein möglichst kleines Bauvolumen besitzen sollte.

Vorzugsweise ist das Umlenkprisma in eine Frontoptik integriert.

Es ist vorteilhaft, wenn der Außendurchmesser des Endoskop­ rohres ≦ 10 mm und/oder die Länge des Endoskoprohres ≦ 100 mm ist.

Die Fokusebene ist vorzugsweise ca. 20-30 mm, weiterhin vorzugsweise ca. 25 mm vor dem distalen Abschlußfenster des Endoskoprohres angeordnet, damit ein unbeabsichtigter körperlicher Kontakt mit dem aufzunehmenden Objekt bei der Handhabung leicht vermieden werden kann.

Der objektseitige Bildwinkel ist vorzugsweise ≧ 45°, weiter vorzugsweise ≧ 65°, damit man einen großen Objektfelddurch­ messer erhält und der Benutzer eine gute Übersichtlichkeit vom zu untersuchenden Objekt hat.

Vorzugsweise ist im Kamerahandstück eine Rotationseinrichtung angebracht, mit welcher man eine Rotation der Beobachtungs­ einrichtung um die Längsachse der Endoskoprohres ausführen kann. Dadurch kann man ein größeres Gebiet untersuchen und das Kamerahandstück braucht bei der Benutzung nicht mitgedreht werden.

Dadurch wird es möglich, das Kamerahandstück fest zu positionieren und es optimal auszugestalten.

Die aktive Fläche der Bildaufnahmeeinrichtung ist kleiner als das größte aufzunehmende Objekt in dem Objektraum, wodurch man eine große Tiefenschärfe erhält.

Dabei ist die aktive Fläche der Bildaufnahmeeinrichtung um einen Faktor ≧ 2, vorzugsweise um einen Faktor ≧ 3, weiterhin vorzugsweise um einen Faktor von ca. 5 ≦ als das größte aufzunehmende Objekt in dem Objektraum.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur, näher erläutert, wobei das nachfolgende Beispiel keinen abschließenden Charakter für die Erfindung hat und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beinhaltet.

Es sind zu sehen in der einzigen Figur die optische Anordnung für eine intraorale stereoskopische Videokamera.

Im Prinzip ist die im folgenden näher beschriebene Lösung ohne große Änderungen mit denselben optischen Elementen auch für eine monoskopische Bilddarstellung verwendbar. Bei der dargestellten erfindungsgemäßen Lösung soll jedoch nur die stereoskopische Videokamera näher erläutert werden.

Die in der Fig. 1 dargestellte intraorale endoskopische Video­ kamera ist für eine stereoskopische Bilddarstellung konzipiert.

Die Videokamera besteht im wesentlichen aus drei Teilen:
Kamerahandstück,

Bildübertragungsoptik und
Endoskopobjektiv.

Das Kamerahandstück beinhaltet einen Stereo-TV-Adapter (0) (Bildaufnahmechip mit eigener Optik) zur stereoskopischen Bild­ aufnahme, dessen Aufbau bekannt ist. Den Abschluß des Stereo- TV-Adapters bildet die Planplatte (1). Zum Kamerahandstück gehört des weiteren ein Objektiv (3, 4, 5), mit dem ein Zwischenbild nach unendlich abgebildet wird. Die Planplatte (2) stellt ein weiteres Abschlußfenster dar, so daß der Stereo-TV-Adapter als abgeschlossene Komponente zwischen den Abschluß­ fenstern (1, 2) abnehmbar ist. Zum Kamerahandstück gehört des weiteren ein Schmidt-Pechan-Prisma (6), welches aus zwei unverkitteten Prismen zusammengesetzt ist, und dessen Achse auf der optischen Achse (25) liegt.

Dieses Prisma (6) ist ein Prisma mit einseitiger Bildumkehr ohne Dachkante. Es zeichnet sich durch eine kurze mechanische Baulänge aus und kann immer dann eingesetzt werden, wenn ein langer Glasweg nicht schadet.

Der zweite Teil ist eine Bildübertragungsoptik und wird durch eine Kombination aus drei Kittgliedern (7, 8, 9; 10, 11, 12; 13, 14, 15) und einem weiteren Kittglied (16, 17) gebildet.

Der dritte und letzte Teil ist das Endoskopobjektiv, welches aus einem Kittglied (18, 19) und einer Positivlinse (20) vor dem 90°-Umlenkprisma (21) sowie nachfolgend einer Negativlinse (22) und einer Planscheibe (23) als Abschlußfenster besteht. Dieser Teil hat den selben Durchmesser wie der zweite Teil (vorzugsweise %v 20 mm, besser ≦ gleich 10 mm).

Alle optischen Komponenten vom zweiten und dritten Teil nach dem Schmidt-Pechan-Prisma (6) befinden sich in einem Endoskop­ rohr (in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt).

Die Rotationseinrichtung (30) (nach dem Stand der Technik, in der Figur nicht dargestellt) für die Videokamera ist vorzugs­ weise zwischen den beiden Abschlußplatten (1) und (2) angebracht.

Die praktischen Erfordernisse (insbesondere die Raum­ verhältnisse im Rachen des zu untersuchenden Patienten) verlangen ein kleines Prisma (21). Dies bedeutete bisher eine starke Einschränkung des Bildwinkels und damit bei gegebenem Objektabstand eine starke Einschränkung des Objektfeldes.

Die Größe des Objektfeldes bestimmt aber den Abbildungsmaßstab und damit indirekt auch die Schärfentiefe, welche aber eine wichtige optische Größe, vor allem bei endoskopischen Abbildungen ist.

Aus der speziellen Aufgabenstellung für eine stereoskopische Mundkamera resultieren ganz bestimmte optische und mechanische Anforderungen, die sich teilweise deutlich von konventionellen Endoskopen unterscheiden.

Der Außendurchmesser des einsetzbaren Endoskoprohrs zumindest im Bereich der Beobachtungseinrichtung hat als Obergrenze vorzugsweise ca. 10 mm und bei der Rohrlänge beträgt die Ober­ grenze für die Beobachtungseinrichtung vorzugsweise ca. 100 mm.

Aus praktischen Gründen ist die Beobachtungsrichtung im Objekt­ raum vorzugsweise um ca. 90° abgewinkelt, d. h. die optische Achse (25) am distalen Ende des Endoskoprohres ist zumindest annähernd rechtwinklig abgeknickt.

Des weiteren liegt die Fokusebene (24) der Endoskopoptik und damit die ideale Objektebene vorzugsweise ca. 20-30 mm vor dem distalen Abschlußfenster.

Der objektseitige Bildwinkel besitzt den auch in der Laparoskopie üblichen Wert von ca. 70°.

Die erfindungsgemäße Videokamera ermöglicht die Rotation der Beobachtungsrichtung um die Längsachse des Endoskoprohres um 360°. Ein entscheidender praktischer Vorteil ist dabei die feste Positionierung des Kamerahandstücks.

Bei der dargestellten erfindungsgemäßen Lösung erfolgt die Umlenkung durch ein 90°-Prisma (21) in der Nähe der Eintrittspupillenebene, d. h. in der Nähe der engsten Einschnürung des Gesamtstrahlenbündels. Dadurch kann das Prisma (21) sehr klein dimensioniert werden und somit überhaupt erst in das Endoskoprohr (in der Figur nicht dargestellt) integriert werden.

Die durch dieses Umlenkprisma (21) bewirkte einseitige Bildumkehr wird durch ein Schmidt-Pechan-Prisma (6) wieder rückgängig gemacht. Von den Prismensystemen mit einseitiger Bildumkehr zeichnet sich das Schmidt-Pechan-Prisma (6) insbesondere dadurch aus, daß es die Lage und Richtung der optischen Achse nicht verändert.

Die optische Achse (25) und die Endoskoprohrachse fallen also vor und hinter dem Schmidt-Pechan-Prisma zusammen. Dies ermöglicht dann die gewünschte Blickrichtungsänderung durch Rotation des Endoskoprohrs um die Endoskoprohrachse bei fester Lage des Kamerahandstücks.

Weitere wichtige optische Kenngrößen der dargestellten erfindungsgemäßen Lösung sind:

• - die ideale Objektebene (24, Fokusebene) liegt 25 mm vor dem distalen Abschlußfenster,
• - der Bildwinkel (26) beträgt 70° und
• - der Objektfelddurchmesser im Abstand von 25 mm beträgt 38,4 mm.

Das optische System ist in der Fig. 1 dargestellt und die entsprechenden exakten optischen Daten sind in der folgenden Tabelle aufgelistet.

Tabelle der optischen Daten im Endoskoprohr mit Nr. 1-45

Die für die praktische Anwendung erforderlichen vorteilhaften Eigenschaften der vorgeschlagenen Lösung sind insbesondere:

• - Arbeitsabstand 25 mm, und damit innerhalb der gewünschten 20-30 mm,
• - Distaler Außendurchmesser des Endoskoprohres (in der Figur nicht dargestellt) ca. 10 mm,
• - Rohrlänge des Endoskoprohres (in der Figur nicht dargestellt) ≦ 150 mm (im Beispiel ca. 100 mm),
• - Bildwinkel 70°,
• - Möglichkeit der Rotation der Blickrichtung bei festen Kamerahandstück und
• - "Zoomen" durch Objektabstandsänderung, d. h. hohe Schärfen­ tiefe.

Die hohe Schärfentiefe ist auch für den Stereoeindruck ausschlaggebend. Eine hohe Schärfentiefe wird durch den Abbildungsmaßstab bestimmt.

Bei einem Objektfelddurchmesser von ca. 40 mm und einem Kamera­ chipdurchmesser von 8 mm (diagonal) wird also das zu unter­ suchende Objekt durch das Objektiv um den Faktor 5 auf den Bildaufnahme-Chip verkleinert. Für die Bildqualität ist die numerische Apertur des TV-Adapters der begrenzende Faktor. Entsprechend obigem Abbildungsmaßstab wird nun die numerische Apertur des TV-Adapters im Objektraum um den Faktor 5 verkleinert und damit die Schärfentiefe im Objektraum stark vergrößert.

Dies ist ganz entscheidend für die Größe des scharf abgebildeten "Stereobildvolumens" und damit den guten stereoskopischen Gesamteindruck.

Claims (15)

1. Endoskopische Videokamera, bei welcher am distalen Ende ein Umlenkprisma mit einer einzigen Reflexionsfläche für den seitlichen Ausblick und an deren proximalem Ende ein weiteres Prisma für die Kompensation der Bildumkehrung durch das Umlenkprisma angebracht ist.

2. Endoskopische Videokamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkprisma ein 90°-Prisma ist.

3. Endoskopische Videokamera nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Videokamera eine stereo­ skopische Kamera ist.

4. Endoskopische Videokamera nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System für die Kompensation der einseitigen Bildumkehrung das Umlenk­ prisma ein Schmidt-Pechan-Prisma ist.

5. Endoskopische Videokamera nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das die Videokamera eine intraorale Kamera ist.

6. Endoskopische Videokamera nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkprisma in eine Frontoptik integriert ist.

7. Endoskopische Videokamera nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Endoskoprohres ≦ 10 mm ist.

8. Endoskopische Videokamera nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Endoskoprohres ≦ 100 mm ist.

9. Endoskopische Videokamera nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokusebene ca. 20-30 mm, vorzugsweise ca. 25 mm vor dem distalen Abschlußfenster des Endoskoprohres angeordnet ist.

10. Endoskopische Videokamera nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der objektseitige Bildwinkel ≧ 45°, vorzugsweise ≧ 65° ist.

11. Endoskopische Videokamera nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß am Endoskoprohr eine Rotationseinrichtung angebracht ist, mit welcher man eine Rotation der Beobachtungseinrichtung um die Längsachse der Endoskoprohres ausführen kann.

12. Endoskopische Videokamera nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kamerahandstück fest positioniert ist.

13. Endoskopische Videokamera nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Fläche der Bildauf­ nahmeeinrichtung kleiner ist als das größte aufzunehmende Objekt in dem Objektraum.

14. Endoskopische Videokamera nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Fläche der Bildaufnahme­ einrichtung um einen Faktor ≧ 2, vorzugsweise um einen Faktor ≧ 3, weiterhin vorzugsweise um einen Faktor von ca. 5 ≦ ist als das größte aufzunehmende Objekt in dem Objekt­ raum.

15. Endoskopische Videokamera nach einem der Ansprüche 1-14, gekennzeichnet durch folgende optische Daten: