DE2919205C2

DE2919205C2 - Optisches System für harte Endoskope

Info

Publication number: DE2919205C2
Application number: DE2919205A
Authority: DE
Inventors: Ken-ichi Hachiouji Tokyo Nakahashi
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1978-05-15
Filing date: 1979-05-12
Publication date: 1981-10-01
Also published as: JPS54149291A; DE2919205A1; US4300812A; JPH0238926B2

Description

	</,„ = 0.045	*η_Ί =*	1.65830	v„ =5733
r„ =3.170
	</„= 0.008	*"% =*
r_n = 0.247
	rf₁₂ = 0.069		1.67790	V₁ =5533
γ» = 1.134
	du = 0.031	/Ii, =	1.62006	v_x =39.10
/•m = 0.204
	d_l4 = 0.235	"10 =
r_:5 = -OJiIO
	d_i5 = 0.031		1.59551	ν, =39.21
r₁₆ = -1.684
	d_lt = 0.069	η,, =	1.67790	V₁₀ = 55.33
r„ =-0.362
	d_n = 0.006
/-„ = -5.860
	</,„ = 0.044		1.65830	ν,, =57.33
/■„ = -0.507		«12 =
	d_l9 = 1.88 (variabel)
Festes Teilsystem	*(R₁"):*	/J₁₃ =
/•₂₀ =-- 0.884
	d₁₀ = 0.096		1.56883	v_l2 =56.14
r₂₁ =0.224
	d_2l= 0.192	1.61659	V₁₃ = 36.63
/-J₂ = 0.223
mit/= 1;

wobei bedeuten

^r\o ~ hi die Krümmungsradien der Linsen;

rfio - f/₂idie Dicken der Linsen bzw. deren Luftabstände; n₆ - /I₁] die Brechungsindizes der jeweiligen Linsenelemente und

v₆ - v₂, deren Abbe'sche Zahlen.

Die Erfindung betrifft ein optisches System für Endoskope, das aus einem Frontobjektiv, einer Vielzahl von Relaislinsensystemen zur Weiterleitung des vom Frontobjektiv erzeugten Bildes und einem Okular besteht und bei dem ein Relaislinsensystem als Linsensystem variabler Vergrößerung ausgebildet ist. Bei der medizinischen Untersuchung mittels eines Endoskopes ist es erwünscht, die durch das Endoskop zu betrachtenden Körperstellen optisch zu vergrößern. Um diesem Wunsche nachzukommen, wurde seither schon das distale Ende des Endoskops aus seiner normalen Position in eine andere verbracht, die sich näher bei dem zu betrachtenden Objekt befindet; dabei wurde die hierdurch verursachte Brennpunkt-Unstimmigkeit dadurch korrigiert, daß das Okular im optischen System örtlich verändert wurde.

Ein derartiges Vorgehen hat jedoch den Nachteil, daß es nicht erlaubt, Bilder mit genügend starker Vergrößerung zu betrachten. Dies hat die folgenden Gründe: 1. Es ist unmöglich, die Objektivlinse in eine Stellung zu verbringen, die dem zu betrachtenden Objekt genügend nahe ist, da der Vorderbrennpunkt der Objektivlinse des optischen Systems innerhalb der Objektivlinse selbst liegt;

2, wird das Objektiv naher an das zn betrachtende Objekt herangebracht, so ist es unmöglich, die Brennpunktverrückimg zu korrigieren, da der Bewegungsbereich des Okulars beschränkt ist.

Man kennt eine weitere Möglichkeit, um das Beobachten von Bildern sowohl bei normaler Größe als auch vergrößert zu ermöglichen. Diese besteht darin, Objektivlinsen, die für verschiedene Vergrößerungen bestimmt sind, bereitzustellen und zum Zwecke der Betrachtung gegeneinander auszutauschen. Dabei müssen die Linsen für verschiedene Vergrößerungen bereitgehalten und zum Zwecke der Betrachtung gegeneinaner ausgetauscht werden. Hierbei kann die zu betrachtende Körperteile aus dem Blickfeld verlorengehen, wenn das Endoskop wieder in die Körperhöhlung eingeführt wird. Außerdem muß der Patient beim wiederholten Ein- und Ausführen des Endoskops unter Umständen beträchtliche Schmerzen auf sich nehmen.

Eine dritte Möglichkeit zum Beobachten einer Stelle unter optischer Vergrößerung besteht darin, ein Okular in einem Endoskop zu verwenden, das als Linsensystem für variable Vergrößerungen geeignet ist. 3ei einem solchen Endoskop ist jedoch die Helligkeit des Bildes bei normaler Größe anders als bei Vergrößerung, da das Bild, welches aus denen durch Objektivlinse und Relaislinsen hindurchgetretenen Strahlen gebildet wird, durch das Okular vergrößert wird. Deshalb hat dieses dritte Verfahren den Nachteil, daß die Bilder, insbesondere bei starker Vergrößerung, so wie diese für winzigste Beobachtungen erforderlich ist, abgedunkelt wird.

Es könnte zusätzlich zu den obenerwähnten Möglichkeiten daran gedacht werden, eine Objektivlinse eines Endoskops als Gummilinse zu gestalten. Eine Gummilinse (= Linse mit variabler Brennweite) von der Bauart, die mechanische Kompensation benutzt, erfordert jedoch einen komplizierten Verschiebemechanismus. Es ist unmöglich, einen Verschiebemechanismus im distalen Ende eines Endoskops unterzubringen, das ja schließlich ?inen kleinstmöglichen Durchmesser haben sollte. Weiterhin ist das Objektivlinsensystem für ein Endoskop sehr klein und enthält praktisch keinen Raum, der das Verschieben spezifischer Linsen für das Verstellen der Brennweite erlaubt Deswegen ist es praktisch unmöglich, als Objektivlinsensystem eines Endoskopes eine Gummilinse des Types der optischen Kompensation zu verwenden.

DE-OS 23 15 941 zeigt ein optisches System für Endoskope mit großem Dingwinkel. Das System besteht aus einem Objektiv, einer Anzahl von Umkehrsystemen und einem Okular. An keiner Stelle des Strahlenganges sind Linsensysteme variabler Vergrößerung vorgesehen.

Journal of SMPTE, Bd. 69, August 60, gibt einen historischen Überblick über die Entwicklung von Vario-Objektiven und beschreibt verschiedene Objektiv-Typen. Irgendwelche Hinweise zur Verwendung solcher Systeme in Endoskopen finden sich nicht.

Dasselbe gilt bezüglich »Handbuch der Fototechnik«, G. Teicher, 6. Aufl, 1974, das sich mit Vario-Objektiven beschäftigt und nur recht allgemeine Angäben zur Verschiebung einer oder mehrerer Linsengruppen innerhalb des Objektivs macht.

US-PS 36 08 998 beschreibt ein starres Endoskop, bei dem entweder das Okular oder eines der Zwischensysteme (Relaissysteme) als System mit variabler Vergrößerung ausgebildet sind- Wie insbesondere die Fig. 3a—3d zeigen, ist das System variabler Vergrößerung unmittelbar vor dem Okular angebracht und besteht aus zwei Ljnsengmppen, die zur Änderung der Vergrößerung gemeinsam verschoben werden müssen. Eine solche Verschiebung zweier relativ weit auseinanderlief gender Gruppen ist in Endoskopen mit großen technischen Schwierigkeiten verbunden, da nur sehr wenig Platz zur Verfugung steht und der Durchmesser des Endoskops so klein wie möglich gehalten werden muß.

in Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System für Endoskope gemäß der eingangs beschriebenen Gattung derart zu gestalten, -daß alles Licht aus dem Objektiv in das Vario-System einfällt, so daß kein Lichtverlust eintritt

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst Durch eine derartige Ausbildung ist gewährleistet, daß alles Licht aus dem Objektiv in das Vario-System einfällt, so daß kein Lichtverlust eintritt Eine spezielle, auf besonders verlustarme Lichtübertra gung ausgerichtete Ausbildung der nachfolgenden Relaislinsen ist hier bei weitem nichr in dem Umfange notwendig wie bei einer Anordnung des Vario-Systems vor dem Okular.

Ein weiterer entscheidender Vorteil des neuen

Systems besteht darin, daß nur eine einzige Linsengruppe axiai verschiebbar sein muß. Irgendwelche Korrekturbewegungen einer zweiten Linsengruppe — wie bei üblichen Vario-Objektiven — ist nicht notwendig. Dies vereinfacht den mechanischen Aufbau sehr, insbesonde-

jo re auch, da der Verschiebeweg der Linseiigruppe klein gehalten ist

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hier soll ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zum besseren Verständnis dargestellt werden. Man

r> erkennt aus der Zeichnung die Zusammenstellung des optischen Systems für Endoskope. Dort ist ein Objektivlinsensystem O dargestellt, ferner Feldlinsen Fi und F2, Relaislinsensystem R\ und A3 sowie ein Okular £ Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei-

■tn spiel ist dasjenige Relaislinsensystem Ri, das von dem Rplaislinsensystem der Objektivlinse O am nächsten liegt, als Linsensystem mit variabler Vergrößerung ausgeführt. Genauer gesagt ist das Relaislinsensystem R\ in eine verschiebbare Linse R\' und eine feststehende

■ti Linse R\" unterteilt Das verschiebbare Relaisünsensystem R\' kann zwischen den ausgezogen dargestellten Linien und den strichpunktiert dargestellten Linien jeweils verfahren werden, um das optische System auf verschiedene Vergrößerungswerte einzustellen.

Wird das verschiebbare Relaislinsensystem R\ in die durch die ausgezogenen Linien dargestellte Lage verbracht, so ist es mit seiner Brennweite auf das Bi'd eingestellt, das mit Objektivlinsensystem O gebildet ist Cs werden unterstellt, daß die verschiebbare Linse (bzw. System) in dieser Lage eine Vergrößerung von ß\ habe. Weiterhin bildet das feststehende Linsensystem R\" in dem Relaislinsensystem R\ ein Bild bei einer Vergrößerung von ßi bei einer vorbestimmten Position vor dem Relaislinsensystem Ri (in der Feldlinse F₂, die in der Zeichnung gezeigt ist). Das durch dieses Relaislinsensystem gebildete Bild wird zwecks Übertragung nacheinander durch das Relaislinsensystem Ri, Rj ... scharf gestellt Es sei weiterhin unterstellt, daß das bewegliche Linsensystem in die durch die strichpunktierte Linie angedeutete Position verfahren wird, um eine Vergrößerung von 1/01 herbeizuführen. In diesem Zustand verbleibt das durch das bewegliche System R\ erzeugte Bild an derselben Stelle. Deshalb bildet das feste System

R\" ein Bild in der gleichen Position wie dasjenige, das dann gebildet wird, wenn die bewegliche Linse R\ in die durch ausgezogene Linien veranschaulichte Position verbracht wird. Wird das verschiebbare System R\' in die durch die ausgezogenen Linien angedeutete Position verbracht, so wird das durch das Objektivlinsensystem erzeugte Bild durch das Relaislinsensystem R\ bei einer Vergrößerung von ß\ χ ßi fokusiert. Wird das verschiebbare System R\ in die Position verbracht, die durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist. so wird die Vergrößerung des Relaislinsensystems /?, aber in Ilß\ xß₂ geändert. Da ß\ =2,0 und da /?? = 2,0 ist. wie im folgenden durch die mathematische Beziehung veranschaulicht werden soll, so ist das Relaislinsensystem als Linsensystem mit Veränderung der Vergrößerung bei einem Verhältnis von I : 4 aufgebaut.

Die oben beschriebene Ausführungsform verwendet das Relaislinsensystem R, als Linsensystem mit variabler Vergrößerung, bei welchem das verschiebbare Linsensystem /?,' des Relaislinsensystems /?i zwischen den Positionen verfahren werden kann, die jeweils durch die ausgezogenen und die strichpunktierten Linien veranschaulicht sind; hierbei kann das Endoskop zum Beobachten einer interessierenden Stelle auf eine hohe Vergrößerung eingestellt werden.

Bei dieser Ausführungsform ist das Relaislinsensystem R₁ in ein bewegliches System Ri' und ein festes System R₁" unterteilt. Beide Systeme bilden ein Bild vorbestimmter Vergrößerung, das auf eine Vergrößerung von 1 χ durch das Relaislinsensystem Ri, Ri ... gebracht wird. Es ist jedoch möglich, die festen Linsensysteme wegzulassen. In diesem Falle kann das Bild in einem gewünschten Maße vergrößert werden, und zwar durch die Relaislinscn, die hinter dem Relaislinsensystem R₂ angeordnet sind, oder allein durch die bewegliche Linse.

Im folgenden sollen einige Daten für das oben erläuterte Ausführungsbeispiel in Bezugnahme auf die Zeichnung wiedergegeben werden. Wenn hierbei gelegentlich von »Linsen« gesprochen isi, so sind hierunter im allgemeinen Linsensysteme bzw. Linsengruppen zu verstehen:

ρ — OO	₍/,	/ 1	»I	1.7880	!'I	- 47.43
		0.0321
r. -0.1048	J,
		0.141.1
r; -1.8540	(I;		H-	1.6860	Y.	-49.16
		0.1284
/. -0.2063	ill
		- 0.2081
r. 5.0094	ti.		Il:	1.62041	V,	= 60.27
		0.1359
r, --■ -0.1536	ti,.		lh	1.84666	V₁	= 23.90
		0.0423
;■- - -0.2960	tl-
		■-- 0.3130
r. - 1.0901	lly		*II.*	1.62004	ι-.	-■■ 36.25
		- 0.6993
r, '- -1.0901
		- 0.99 (variableI
/·.,. = 0.919	(A,,		*lh.*	1.65830	V,.	= 57.33
		-- 0.045
r -3.170	(/ :
		- 0.008
;· ; - 0.247	(A-		Il-	1.67790	V-	- 55.33
		0.069
/■ - 1.134	(A.		η. -	1 .(O 606	V,	- 39.10
		--- 0.(131
,■ . - 0.204	,/ .
		0.235
c- = -0.210	(A,-		H., =	1.59551	V.\|	= 39.21
		= 0.031
r. = -1.684	(/		Il ■ ■ —	1.67-90	»"sn	= 55.33
		= 0.06"
λ - ■- -0.362	(/
		- 0.006
r . - -5.860	(/ ,		";: ⁼	1.65830	V ,	= 57.33
		= 0.044
r . -0.507	(A ,
		= 1.88 (variable)
r = 0.884	(I-,,		/Ip =	1.56883	ι·,.	= 56.14
		= 0 096
r- = 0.224	rf-,			i.6i 659	v,_,	- 36.63
		= 0.192
/·.- - 0.243
	= 0.6046

l-ortsct/ung	= 1.6829
*'η --*	= -1.6829
*r» --*	= 1.4110
05 =	= OO
**r-***	- 1.8607
r>₇	0.4708
	= -1.0354

/-,, =1.4110

<t_n = 0.6426 d_H = 0.0465 d„ = 3.3I09 t/₂₆ = 0.1182

rf,, = 0.1980 i/,_s - 0.0658 rf_?9 = 0.1696 (/,« = 3.3109 rf,, "0.5190 r/,, = 3.3109 i/.,., = 0.1182 <t_u 0.1980 </,< = 0.0658 (/·.„ = 0.1696 ί/,τ = 3.3109 </·,, = 1.4141 rf.w - 0.0642 </,„ = 0.1605

Hierin bedeutet das Bezugszeichen /"die Brennweite der Relaislinse /?i.das Bezugszeichen η bis r>i bedeutet die Krümmungsradien der jeweiligen Oberflächen; die Bezugszeichen d\ bis d_in bedeuten die Dicken der jeweiligen Linsenelemente und der dazwischen befindlichen Lufträume; die Bezugszeichen n_t bis n₂* bedeuten die Brechungsindizes der jeweiligen Linsenelemente; die Bezugszeichen r, bis v₂» bedeuten Abbe's Ziffern der jeweiligen Linsenelemente.

Bei den oben wiedergegebenen numerischen Angaben bedeutet das Symbol öd den Luftspalt der Feldlinse Fi und der Relaislinse /?,. wenn die bewegliche Linse R/ in die durch ausgezogene Linien veranschaulichte Position verbracht ist Ist die bewegliche Linse in die durch die strichpunktierten Linien veranschaulichte Position verbracht, so haben die Bezugszeichen d> und d,_a Werte von 2.40 bzw. 0.48.

Durch Veränderung des Abstandes zwischen dem distalen Ende bis zu dem beobachtenden Objekt läßt sich das erfindungsgemäße, oben beschriebene Endoskop zwecks Beobachtung auf verschiedene Vergrößerungen einstellen. Setzt man das Endoskop in dieser Weise ein, so ist es möglich, die Vergrößerung des Endoskopes innerhalb eines Bereiches zu verändern, der größer ist als jener, der durch Verschieben der beweglichen Linse erreichbar ist: außerdem iäßt sich ein Effekt erzielen, der ähnlich jenem mit einem Endoskop ist das eine Gummilinse umfaßt. Sofern das Endoskop

'14	= 1.8607
/'l<	- -0.4708
'!I.	- -1.0354
/'IS	== -1.41 IO
''.I"	= 2.2095
On	= 0.6153
'41	= -1.0717

rt,4 = 1.62004 /J₁₅ = 1.62004

/I₁₆= 1.65160 ff,7 = 1.80610 /;„= 1.62004 η_ιη= 1.62004 /I_2n= 1.65160

Hj, 1.80610 Ih₁ = I.620O4

/ι,, = 1.78472 /;_:4 = 1.67003

ν,., = 36.25 V₁₅ = 36 J5

v,₆ = 58.67 >·,. =40.95

»·„ = 36.25 v₁₉ = 36.25

V_2n = 58.67 ι·₂, = 40.95

v_;, = 36.25

r_:, = 25.7 v_:4 = 47.3

ein Linsensystem mit variabler Vergrößerung umfaßt, das die oben aneeführten numerischen Daten hat. so sind die Vergrößerungsbereiche, wie im folgenden dargestellt wird, dadurch variabel, daß man den Abstand zwischen dem distalen Ende und dem zu beobachtenden Objekt verändert:

Abstand I, gemessen	2.39	0.49	Gesamtver
zwischen distalem	0.93	1.94	größerung
wi Kndc und zu be	2.40	0.48
trachtendem Objekt	0.94	1.93
4.23	2.40	0.48	0.52
.. 4.28	0.97	1.88	2.01
¹¹ 2.68	2.40	0.48	0.81
2.68	0.99	1.89	3.15
1.61	2.39	0.49	1.33
1.61	1.03	1.84	5.01
1.07		1.96
¹⁰ 1.07		7.21
0.54		3.67
0.54		12.89

Das bei dem Ausführungsbeispiel verwendete Objektivlinsensystem und das verwendete Okular sind für Vergrößerungen von 0,128 (im Faiie eines Standardwertes für einen Abstand zu dem zu betrachtenden Objekt von 1,61) bzw. 10,41.

Es versteht sich aus den vorangegangenen Beschreibungen, daß das erfindungsgemäße Endoskop Relaislinsen umfaßt, von denen eine derart gestaltet und angeordnet ist, daß sie ein Relaissystem variabler Vergrößerung darstellt, und zwar mit einem solchen Aufbau, wie dieser unter Bezugnahme auf das bevorzugte AusfühTungsbeispiel beschrieben ist, oder ein optisches Kompensationssystem vom Gummilinsentyp; das ganze System ist ferner derart gestaltet und angeordnet, daß die Vergrößerung dadurch verändert

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werden kann, daß die genannte Relaisiinse, die als Linsensystem vai-iabler Vergrößerung gestaltet ist, entlang der optischen Achse verschoben werden kann. Deshatb wird durch die vorliegende Erfindung ein Endoskop geschaffen, das einen kleinen Durchmesser selbst dann hat, wenn das Endoskop ein Linsensystem variabler Vergrößerung umfaßt, und das außerdem zur Beobachtung eines Bildes genügend starker Vergrößerung leicht veränderbar oder umschaltbar ist

Hierzu I Blatt/cichnuimcn

Claims

Patentansprüche;

!,OptischesSystem für Endoscope, das aus einem Frontobjektiv, etner "Vielzahl von Relaislinsensystemen zur Weltcnjettimg des vom Frontobjeköv erzeugten Bildes und einem Okular besteht und bei dem ein Relaislinsensystem als linsensystem variabler Vergrößerung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das RelaisBnsensystem variabler Vogrößerung (R i) im Strahlengang so hinter dem Frontobjektiv {Ojsngeordnet ist, daß es zur Wetteridmng des von diesem Objektiv erzeugten ZwiscbenbDdes dient, nnd daß es aas zwei Teilsystemen (R V und R t") besteht, von denen das is

Verschiebbares Teilsystem (R₁ ¹): r_le = 0.919

eine (RV) fest «nd das andere (RV) zur Ve^größerungsänderung in axialer Richtung verschiebbar angeordnet ist
2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Frontobjektiv O und dem nachfolgeuden Relaislinsensystem R1 am Ort des Zwischenbildes eine Feldlinse Fi angeordnet ist

3, Optisches System für Endoskope nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das als Linsensystem variabler Vergrößerung ausgebildete Relaislinsensystem ^R₁) folgende Werte aufweist: