DE2554952C3

DE2554952C3 - Optisches BUdüberttagungssystem für ein starres Innensehrohr

Info

Publication number: DE2554952C3
Application number: DE2554952A
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Hachiouji Tokio Imai (Japan)
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1974-12-10
Filing date: 1975-12-06
Publication date: 1978-08-31
Also published as: DE2554952A1; DE2554952B2; US4025155A; JPS5168242A

Description

J(I

Die Erfindung bezieht sick auf ein optisches Bildübertragungssystem für ein starres Innensehrohr mit jeweils abwechselnd hintereinander angeordneten Feldlinsen und Relaislinsen, wobei letztere jeweils als positive gekittete Doppellinse mit einer konkaven Linse und einer konvexen Linse ausgebildet si id.

Beim Fokussieren eines Bildes nach dessen Durchtritt durch eine Vielzahl von der Bildübertragung dienenden Relaislinsen entsprechend der Darstellung in F i g. 1 treten allgemein beträchtliche negative Astigmatismus- oder Feldkrümmungserscheinungen auf. Für eine der Relaislinsen ist der durch diese Linse hervorgerufene negative Astigmatismus in F i g. 2 und die durch dieselbe Linse hervorgerufene Feldkrümmung in F i g. 3 gezeigt. Mit zunehmender Anzahl von Relaislinsen wird der negative Astigmatismus ebenfalls größer. Dieser Effekt verstärkt sich noch, wenn die Brennweite der Relaislinsen kürzer wird. Die Feldkrümmung wächst ebenfalls mit zunehmender Anzahl der für die Bildübertragung verwendeten Relaislinsen, so daß die Bildfläche in verstärktem Maße von der angestrebten Ebene abweicht.

Bei einem aus der US-PS 32 57 902 bekannten optischen Bildübertragungssystem sind wenigstens zwei stabförmige Linsen mit einem bestimmten Zwischenraum hintereinander angeordnet, wobei der Brechungsindex der stabfönnigen Linsen größer als derjenige des den Zwischenraum ausfüllenden Mediums und die axiale Länge jeder der stabförmige« Linsen größer als die axiale Länge des Zwischenraums zwischen den Linsen sein müssen. Durch die Verwendung von stabförmigen, also relativ lang ausgebildeten Linsen sind die auch bei dem bekannten optischen Bildübertragungssystem stets an den Linsenoberflächen durchgeführten Maßnahmen zur Korrektion des negativen Astigmatismus und der Bildfeldkrümmung verringert, denn die Zahl der verwendeten Linsen, von der die Aberrationen besonders stark abhängig sind, wird durch diese bekannte Maßnahme verringert. Eine Korrektion der Bildfeldkrümmung und des Astigmatismus erfolgt jedoch durch die bloße Verwendung von stabförmigen Linsen in der bekannten Anordnung nicht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die bei bekannten optischen Systemen gleicher Gattung durch Aberrationen. 7. B. Astigmatismus, Feldkrümmung usw. hervorgerufenen Bildfehler zu minimalisieren und Jit. Intensität des übertragenen Lichts zu erhöhen.

Erfindungsgemäß sind zur Korrektion von durch Relaislinsen hervorgerufenem Astigmatismus und hervorgerufener Bildfeldkrümmung und zur Erhöhung der Intensität des übertragenen Lichts Glasblöcke mit parallelen ebenen Oberflächen zwischen jeder Feldlinse und Relaislinse angeordnet. Aufgrund dieser Anordnung ist es überflüssig, die Relaislinsen durch besondere und aufwendige Maßnahmen so zu gestalten, daß sie an sich die oben beschriebenen Aberrationen nicht hervorrufen und andere Fehler verstärken. Darüber hinaus wird durch die Einfügung der Glasblöcke mit parallelen ebenen Oberflächen die Intensität des übertragenen Lichts erhöht. Der Einbau von Glasblöcken mit parallelen ebenen Oberflächen kann auch in höchst einfacher Weise bei aus einer Kombination aus Relaislinsen und Feldlinsen bestehenden Endoskopen noch nachträglich erfolgen.

Wie in F i g. 4 zu sehen ist, tritt allgemein positiver Astigmatismus auf, wenn konvergierende Strahlen durch eine Glasplatte B mit parallelen ebenen Oberflächen geworfen werden. Der dabei hervorgerufene positive Astigmatismus ist durch die folgenden Gleichungen ausdrückbar:

Iw =

I, ₌ d/_x_ cos / \

H ^ COS / J

wobei η den Brechungsindex der mit parallelen ebenen Oberflächen versehenen Glasplatte, d die Dicke dieser Glasplatte, i den Einfallswinkel, Γ den Brechungswinkel, Im meridionalen Astigmatismus und Ii sagittalen Astigmatismus darstellt.

Durch Ausnutzung des zuvor erläuterten positiven Astigmatismus, wie er von einer Glasplatte und einem Glasblock mit parallelen ebenen Oberflächen bei einem konvergierenden Strahlenbündel hervorgerufen wird, ist es möglich, den von den Relaislinsen hervorgerufenen negativen Astigmatismus geeignet zu korrigieren, wenn die Glasblöcke mit parallelen ebenen Oberflächen vor und hinter jeder Relaislinse ent sprechend F i g. 5 angeordnet werden. F i g. 6 zeigt den Astigmatismus der in F i g. 5 dargestellten Anordnung, bei der Glasblöcke mit parallelen ebenen Oberflächen vor und hinter der Linse angeordnet sind. Im Vergleich zu dem in F i g. 2 gezeigten Astigmatismus tritt gemäß F i g. 6 offensichtlich eine wesentliche Verbesserung ein. Darüber hinaus bewirken Glasblöcke mit parallelen ebenen Oberflächen auch eine negative Feldkrümmung. Daher kann gleichzeitig auch die von der Relaislinse hervorgerufene positive Feldkrümmung mit Hilfe der Glasblöcke korrigiert werden. Wie in den oben angegebenen Gleichungen zum Ausdruck kommt, steht der durch den Glasblock mit parallelen ebenen Oberflächen hervorgerufene positive Astigmatismus in direkter Proportionalität zur äquivalenten optischen Länge d/n des Glasblocks. Um den durch die Relaislinse hervorgerufenen negativen Astigmatismus zu rninimalisieren, sollte daher d/n so groß als möglich gemacht werden. Die obere Grenze von d/n ist jedoch gleich dem Luftspalt zwischen der Feldlinse und der Relais linse. Wenn das Bild mit einer Vergrößerung X\- übertragen werden soll, sollte din innerhalh rW β*..

reichs, in welchem d/n < 2f_K so groß als möglich gemacht werden {f_K stellt die Brennweite der Relaislinse dar). Wenn andererseits d/n klein ist, wird auch der Korrektureffekt auf den negativen Astigmatismus klein. Die untere Grenze von d/n sollte daher f_R < d/n sein. Darüber hinaus haben die Glasblöcke mit parallelen, ebenen Oberflächen den wertvollen Effekt einer Erhöhung der Intensität des übertragenen Lichts, wie nachfolgend beschrieben wird.

Anhand der F i g. 7 und 8 wird auf die Intensität m des von einem optischen Bildübertragungssystem unter Verwendung von Relaislinsen übertragenen Lichts eingegangen. Wenn ein Bild unter Verwendung der in F i g. 7 schematisch dargestellten Relaislinse (Brennweite /, und Linsendurchmesser 2J) r, übertragen wird, so wird die numerische Apertur (Linsenweite) NA. der Relaislinse gleich dj2f_x. Wenn andererseits Glasflocke mit parallelen ebenen Oberflächen, deren Brechungsindex η und deren Dicke 2/, sind, vor und hinter einer Relaislinse mit einer 2» Brennweite von /₂ und einem Linsendurchmesser von 2 J entsprechend F i g. 8 angeordnet werden, ergibt sich für die numerische Apertur der Relaislinse

nd

F i g. 6 Aberrationskurven, die den vom optische System gemäß F i g. 5 hervorgerufenen Astigmatismi darstellen,

F i g. 7 und 8 Figuren zur Erläuterung der Lieh intensität bei der übertragung eines Bildes durch eii Relaislinse und

F i g. 9 eine schematische Schnittansicht durch ei Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bevorzugtes Ausführungsbeispiel des optischen Bile übertragungssystems gemäß der Erfindung ist nacl stehend angegeben:

NA, =

Daher ist das Verhältnis zwischen den numerischen Aperturen der zuvor erläuterten Fälle (NAf/(NA_tf = n¹ > 1. Wenn daher der Abstand, über den das w Bild von jeder Relaislinse übertragen wird, über das gesamte optische System gleich ist, so ergibt sich für die Intensität des durch die aus Relaislinse und Glasblöcken mit parallelen ebenen Oberflächen bestehende Anordnung (F i g. 8) übertragenen Lichts der «²-fachc r, Wert der von der Relaislinse gemäß F i g. 7 übertragenen Lichtintensität.

Wie zuvor erläutert, lassen sich bei Anordnung von Glasblöcken mit parallelen, ebenen Oberflächen vor und hinter den Relaislinsen der negative Astigmatismus und die positive Feldkrümmung bzw. -wölbung der Relaislinse verringern, und darüber hinaus kann die Intensität des übertragenen Lichts gesteigert werden.

Auf der Grundlage der zuvor beschriebnen physi- 4 -, kaiischen Zusammenhänge zeichnet sich das erfindungsgemäße optische Bildübertragungssystem dadurch aus, daß Glasblöcke mit parallelen ebenen Oberflächen jeweils zwischen Relaislinsen und Feldlinsen angeordnet sind, um Aberrationen, wie Astigmatismus, Feldwölbung bzw. -krümmung usw. in günstiger Weise zu korrigieren und gleichzeitig die Intensität des übertragenen Lichts zu steigern.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichung zeigt

F i g. 1 im Schnitt einen Teil eines optischen Bildübertragungssystems,

F i g. 2 Aberrationskurven, die den von einer Re laislinse hervorgerufenen Astigmatismus zeigen, _M

F i g. 3 die von der Relaislinse hervorgerufene Feldkrümmung bzw. -wölbung,

F i g. 4 eine Darstellung zur Erläuterung des von einer Glasplatte oder einem Glasblock mit parallelen ebenen Oberflächen hervorgerufenen Astigmatismus, ₆s

F i g. 5 eine Schnittansicht auf eine Relaislinse, an deren beiden Seiten Glasblöcke mit parallelen ebenen Oberflächen angeordnet sind,

	= OC	η, = 1,8061	»Ί	= 40,92
	J₁ = 0,5
r.	= 0,733
	J₂' = 0,5
fj	= OC.	n₂ = 1,7859	"2	= 44,10
	J₃ = 2,6
r*	= χ	n_} = 1,8061	*^ri*	= 40,92
	J₄ = 0,83
r₅	= -1,842
	J₅ = 0,2
r₆	= -14,765	/i₄ = 1,6700	•4	= 57,33
	d_b = 1,45
r₇	= -1,018	/I₅ = 1,7847	»'s	= 25,71
	J₇ = 0,36
r_g	= -2,831
'·	J₈ = 1,16 = 3,856	/I₆ = 1,5163	'6	= 64,15
	J₉ = 6,0
ho	= -3,856
	J₁₀ = 1,3
	= 00	/I₇ = 1,5163	V₁	= 64,15
	J₁₁ = 24,0
r,2	= OC
	J₁₂ = 1,0
T₁3	= 8,084	/I₈ = 1,6989	^r8	= 30,12
	J₁₃ = 1,0
^r14	= 3,399	/I₉ = 1,5890	'9	= 48,60
	J₁₄ = 3,0
^r15	= -13,780
	J₁₅ = 1,0
hb	= OO	/I₁₀ = 1,5163	>Ίο	= 64,15
	J₁₆ = 24,0
^ri7	= OO
	J₁₇ = 1,05
^r18	= 10,105	/I₁₁ = 1,5163	¹Il	= 64,15
	J₁₈ = 6,0
r„	= -10,105
	J₁₉ = 1,4
r_2Q	= OO	/I₁₂ = 1,5163	'I₂	= 64,15
	J₂₀ = 24,0
^r21	= 00
	J₂₁ = 1,39
»22	= 8,084	/I₁₃ = 1,6989	»Ϊ3	= 30,12
	J₂₂ = 1,0 = 3^99 J₂₃ = 3,0	/I₁₄ = 1,5890		= 48,60
Γ23	= -13,780
^r24	J₂₄ = 1,0
	= OO
»25	J₂₅ = 24,0	/I₁₅ = 1,5163	"15	= 64,15
	= OO
r₂₆	J₂₆ = 1,05
	= 10,105
r₂₇	J₂₇ = 6,0	/I₁₆ = 14163	»I«	= 64,15

^Γ2Η	= -10,105	IT₁₇ = 1,5163	r, 7 = 64,15
	4.8 - 1.4
r₂o
	d₂₉ = 24,0
1"3O	= X	H₁₈ = 1,6989	'.a = 30,12
	J₃₀ = 1,39
'si	= 8,084	H₁₉ = 1.5890	v_w = 48,60
	d_3l = 1,0
Γ»:	= 3.399
	d,₂ = 3,0
»"33	= -13,780	H₂₀ = 1,5163	■■₂₀ = 64,15
	d_3i = 1,0
^r34
	d₃₄ = 24,0
»•35	= X)	H₂₁ = 1,5163	ι·₂₁ =64,15
	^₃₅ = 1,05
^36	= 10,105
	d* = 6,0
!"37	= -10,105	H₂₂ = 1,5163	raj = 64,15
	d₃₁ = 1,4
	= X'
	4,8 = 24,0
'"39		n₂₃ = 1,6989	»•23 = 30,12
	^₁₉ = 1,39
»■40	= 8,084	H₂₄ = 1,5890	»'24 = 48,60
	do =* 1,0
1-41	= 3,399
	J₄₁ = 3,0	H₂₅ = 1,5163	i'2s = 64,15
»"42	= -13,780
	4,2 = 1,0
43	J₄₃ = 24,0
r_M	= rc	H₂₆ = 1,5163	'•26 = 64,15
	J₄₄ = 1,05
**^r5***	= 10,105
	J₄₅ = 6,0
^46	= -10,105	H₂₇ = 1,5163	,.₂₇ = 64,15
	d«, = 1,4
!"47	= x>
	<*47 = 24,0
	= OC)	H₂₈ = 1,6989	"₂₈ = 30,12
	^₈ = 1,39
r₄₉	= 8,084	H₂₉ = 1,5890	V₂₉ = 48,60
	Λ49 = 1,0
	= 3,399
	</₅₀ = 3,0
	= -13,780
	J₅₁ = 1,0

ιν = α

</₅, = 16.1S ».,„ = 1,5163 .·,„ = 64.15

ί/₅, = 3,58
-. r_M - -67.722

</s4 = 1.0 »μ = 1.51633 ,■„ = 64.1

r„ - 12.798

</₅, = 15,33
C₅,, = 8.701

·,., = 48,60 κι </,.. = 0.8 »,, = 1,78472 ,·,, = 27.5

/·₅₇ = 4.339

rf,, = 2.6 Ii „ = 1,58904 ,·,, = 53.3

r_S8 = -12,162

/ = 1,155 / = 8,918.

Hierin bedeuten r, bis r_5B jeweils Kriimmungsradien zugehöriger Linsen, einschließlich Glasblöckcn mit parallelen ebenen Oberflächen, d_x bis d_$~ die Dicken der jeweiligen Linsen und Glasblöcke und Luftspalten zwischen entsprechenden Linsen und Glasblöcken mit parallelen planaren Oberflächen, H₁ bis «,j jeweils Brechungsindizes der zugehörigen Linsen und Glasblöcke mit parallelen ebenen Oberflächen, r, bis r₃₃ jeweils Abbe-Zahlen der entsprechenden Linsen und Glasblöcke mit parallelen ebenen Oberflächen, / die Brennweite des optischen BiId-Übertragungssystems einschließlich des Objektivs und ./,, die Brennweile des Okulars.

Das zuvor angegebene Ausfuhrungsbeispiel hat die in Fig. 9 dargestellte Konfiguration, wobei O das Objektiv, F die Feldlinsen, R die Relaislinsen. B die Glasblöckc mit parallelen ebenen Oberflächen. S die Blende und E das Okular bezeichnen. Bei diesem optischen System wird vom Objektiv O ein Bild in der nächst gelegenen Feldlinse F fokussiert und danach durch Fokussierung mit Hilfe der entsprechcnden Relaislinsen R übertragen. Vor und hinter den Relaislinsen R sind Glasblöcke B mit parallelen ebenen Oberflächen zwischen jeder Relaislinse R und Feldlinse F angeordnet.

Bei dem beschriebenen optischen Bildübertragungssystem sind Aberrationen, insbesondere Astigmatismus und Feldkrümmung bzw. -wölbung extrem gering, und es ist darüber hinaus möglich, ein deutliches Bild mit hoher Lichtintensität zu gewinnen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optisches Bildübertragungssystem für ein starres Innensehrohr mit jeweils abwechselnd hintereinander angeordneten Feldlinsen und Relaislinsen, wobei letztere jeweils als positive gekittete Doppellinse mit einer konkaven Linse und einer konvexen Linse ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektion von durch Relaislinsen (R) hervorgerufenem Astigmatismus und hervorgerufener BiIdfeldkrümmung und zur Erhöhung der Intensität des übertragenen Lichts Glasblöcke (B) mit parallelen ebenen Oberflächen zwischen jeder Feldlinse (F) und Relaislinse [R) angeordnet sind.

2. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äquivalente optische Länge dl η jedes der Glasblöcke (B) mit parallelen ebenen Oberflächen der folgenden Bedingungen genügt:

/„ < din < 2f_R,

wobei d die Dicke jedes Glasblocks mit parallelen ebenen Oberflächen, /ι den Brechungsindex jedes Glasblocks und /„ die Brennweite jeder Relaislinsc darstellen.

3. Optisches Bildüberiragungssystem nach Anspruch I oder 2. mit einem Objektiv aus einer konkaven Linse und zwei zementierten bzw. gekitteten Doppellinsen und einem Okular mit einer konkaven Linse und einer positiven gekitteten Doppellinse, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bildübertragungssystem die folgenden numerischen Werte hat:

Ji = 0,5 π, = 1,806! .·, = 40.92 r₂ = 0.733 J₂ = 0,5 r_} = X¹ dj = 2,6 /I₂ = 1,7859 r₂ = 44,10 r» = X J₄ = 0,83 M₃ = 1,8061 ^ = 40,92 »■5 = -1,842 _r<> = -14,765 d_b = 1,45 n₄ = 1,6700 .•₄ = 57,33 r₇ = -1,018 d₇ = 0,36 H₅ = 1,7847 rs = 25,71 ^r8 = -2,831 dg = 1,16 »•9 = 3,856 d₉ = 6.0 M₆ = 1,5163 .·„ = 64,15 •Ίο = -3,856 d_l0 = 1,3 = X) J₁₁ = 24,0 M₇ = 1,5163 ••₇ = 64,15 ^rl2 = X J₁₂ = 1,0 r_u = 8,084 d_u = 1.0 /I₈ = 1.6989 >·₈ = 30.12 »-14 = 3,399 J₁₄ = 3.0 n, = 1.5890 ι-, = 48.60 r,, = -13.780 J₁, = 1.0

^r20 ^Γ21 »•22

'27

</,„ = 24,0

J₁₇ = 1,05 10,105 J₁₈ = 6,0 -10,105 d₁₉ = 1,4

dn = 24,0

d_2l = 1,39 8,084

d-,-, = 1,0 3,399

d,j = 3.0 -13,780 ^₂₄ = 1.0

d_ls = 24,0

d_2u = 1.05 10,105
d,₇ = 6.0 -10,105 d_2>i = 1,4 χ
J₂₉ = 24.0

d_w = 1.39 8^084

Jj₁ = 1.0 3.399
c/j, = 3.0 -13.780 </,, = 1.0

= 1,5163 ι·_Ι0 = 64,15

M₁₁ = 1,5163 .„ = 64,15

M₁₂ = 1,5163 ι·₁₂ = 64,15

η,, = 1.6989

H₁₄ = 1,5890

H₁₅ = 1.5163

/I₁₁, r= 1.5163

H₁- = i,5163

/I₁₁₁ =

i .6989 1,5X90

"23 = M₂₄ =

1.5163

1.6989 1.5890

^r45

Jj₄ = 24.0 M₂₀ = 1,5163 χ

J)₅ = 1,05 1(1.105

J,_h = 6,0 η,, = 1,5163 -10,105 J₃₇ = 1.4 χ

J₃₈ = 24.0 χ

J₃₉ = 1,39 8,084

J₄₀ = IO 3,399

J₄₁ = 3,0 -13,780 J₄₂ = 1,0

d₄₃ = 24,0 χ

J₄₄ = 1,05 10,105
J₄₅ = 6.0 -10,105 d_4h = 1,4 χ

J₄- = 24.0 1 <■

J₄s = 1-39 8.084
J₄₁₁ = 1.0 «,₈ = 1.6989

H₂₅ = 1.5163

= 1.5163

/I₂- -

1.5163

'13 = 30.12

>·,₄ = 48,60

«■_I5 = 64,15

■■„, = 64,15

.·,- - 64.15

<·.η = 30,12

!·,„ = 48.61)

r_2l, = 64,15

■■₂₁ =64,15

r_u = 64.15

,·₂₃ = 30,12

r₂₄ = 48,60

ι··,, = 64,15

.·,„ = 64.15

.·■,- ^ 64.15

r,_s = 30.12

r_5u = 3,399

(I₅₀ = 3,0 /J,₉ = 1,5890 ι·,« = 48,60 r₅₁ - -!3,780

J₅₁ = 1,0
r₅₂ = χ d₅₁ = 16,18 n_JU = 1,5163 >·_Μ) = 64.15

*-₅j = *

<ί.₃ = 3,58
r₅₄ = -67,722

^₅₄ = i,o /;„ = 1,51633 (■„ =64,1 ·< > r₅₅ = 1Z798

i/₅₅ = 15.33
r_5l, = 8,701

d_Sb = 0,8 n,, = 1.78472 .·„ = 25,7 r₅₇ = 4,339 " ι-,

<i₅₇ = 2,6 /I₃₃ = 1,58904 r₃₃ = 53,3 r₅₈ = -12,162

/ = 1,155, f_e = 8,918.