DE3021887C2 - Verfahren zur Scharfeinstellung eines optischen Systems und ein dieses Verfahren verwendendes Endoskop - Google Patents

Description

wobei £.die Helligkeit des Objekts, B die Helligkeit der Lichtquelle und / die Entfernung zwischen Lichtquelle und Objekt ist, und Ableiten eines is Verschiebesignals zur Steuerung der Scharfeinstellung des optischen Systems, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Objekt reflektierte Licht vom optischen System selbst aufgenommen und zumindest teilweise für eine Auswertung weitergeleitet wird, bei der die festgestellte Beleuchtungsstärke des vom Objekt reflektierten Lichts zur Beleuchtungsstärke des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts in Beziehung gesetzt wird.

2. Endoskop, das das Verfahren nach Anspruch 1 anwendet, mit einem fotoelektrischen Wandlerelement, das das vom Objekt reflektierte Licht in ein elektrisches Signal umsetzt, und mit einer Recheneinheit zur Durchführung der Abstandsberechnung sowie einer Servoeinrichtung, die abhängig vom Ausgangssignal der Recheneinrichtung eine Scharfeinstellung vornimmt, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine einzige Lichtquelle (4) vorgesehen ist, die sowohl das Licht für die Abstandsmessung als auch für die Beleuchtung des Objekts zur Betrachtung desselben liefert.

3. Endoskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im optischen System ein Strahlenteiler (5) vorgesehen ist, der einen Teil des vom Objekt reflektierten Lichts auf das fotoelektrische Wandlerelement (8) richtet.

4. Endoskop nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Servovorrichtung (10) die Bewegung einer Objektivlinse (1) des optischen Systems bewirkt.

5. Endoskop nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Servovorrichtung (10) die Bewegung eines Okulars (26) des optischen Systems zur Scharfeinstellung bewirkt.

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Scharfeinstellung eines optischen Systems auf ein Objekt und ein dieses Verfahren verwendendes Endoskop gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.

In der DE-OS 27 19 214 ist ein Verfahren zum selbsttätigen Fokussieren eines Kameraobjektivs sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. Zwei in unterschiedlichem Abstand von einem Objekt angeordnete Lichtquellen werden abwechselnd erregt und über ein Wandlerelement wird das jeweils vom Objekt reflektierte Licht gemessen. In einer Recheneinrichtung werden die Meßsignale unter Zugrundelegung des fotometrischen Abstandsgesetztes ausgewertet und zur Steuerung der Objektiveinstellung verwendeL Die bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß eigens zwei Lichtquellen vorgesehen sein müssen, wobei dem fotoelektrischen Wandler zusätzlich ein optisches Element vorgeschaJtet werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein • Verfahren zum Scharfeinstellen eines optischen Systems auf ein Objekt vorzuschlagen, das mit wesentlich einfacheren Mitteln auskommt und das insbesondere vorteilhaft bei einem Endoskop angewandt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.

Das dieses Verfahren verwendende Endoskop besitzt die Merkmale des Patentanspruchs 2.

Da das ausgesandte Licht zum vom Objekt reflektierten Licht in Beziehung gesetzt wird, genügt eine einzige Lichtquelle. Selbst diese Lichtquelle muß nicht zusätzlich vorgesehen werden, sondern es wird die für die Beleuchtung des Objekts zur Beobachtung und Aufnahme sowieso vorhandene Lichtquelle des Endoskops verwendeL Für das reflektierte Licht ist ferner kein eigenes optisches System erforderlich, da das reflektierte Licht von dem optischen System des Endoükops aufgenommen wird.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Endoskops ist ein Strahlenteiler in das optische System eingefügL der einen Teil des vom Objekt reflektierten Lichtes abspaltet und auf den fotoelektrischen Wandler richteL Der normale Strahlengang wird somit nicht beeinträchtigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei einem flexiblen als auch bei einem starren Endoskop angewandt werden.

Im folgenden ist die Erfindung anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläuterL In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein Schema zur Erläuterung des Prinzips einer Scharfeinstellung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen der Entfernung 1 eines beobachteten Objekts und der entsprechenden Helligkeit L von Objekten mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen R,

F i g. 3 und 4 schematische Ansichten zur Darstellung der Anwendung der Erfindung an einem flexiblen bzw. einem starren Endoskop.

Im allgemeinen ist bei einem Endoskop, welches zur Beobachtung eines Körperhohlraums oder des Inneren einer Maschine benutzt wird, gar kein oder nur wenig äußeres Licht zur Beleuchtung des Innenraums vorhanden. Aus diesem Grund ist das Endoskop mit einer Beleuchtungseinheit versehen, die Licht zum Beleuchten des zu beobachtenden Objekts liefert.

Wenn ein Objekt mit Licht von einer solchen Beleuchtungseinheit beleuchtet wird, damit es beobachtet werden kann oder damit eine Aufnahme gemacht werden kann, ist bekannt, daß sich die Helligkeit des Objekts umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen der Beleuchtungseinheit und dem Objekt und proportional zum Reflexionsvermögen des Objekts verhält. Angenommen die Helligkeit der Beleuchtungseinheit sei B, das Reflexionsvermögen des Objektes R, die Entfernung zwischen der Beleuchtungseinheit und dem Objekt /, und der Koeffizient der Lichtdurchlässigkeit einer Transmissionsoptik, die Licht von der Beleuchtungseinheit zum Objekt leitet, sei k, dann ergibt sich die Helligkeit L des Objekts aus der folgenden Gleichung:

L =

kBR

I²

(D

In dieser Gleichung sind die Werte des Koeffizienten k und der Helligkeit B durch die jeweils verwendete Beleuchtungseinheit festgelegt Der W-^rt des Reflexionsvermögens R bleibt in einer gegebenen Umgebung im wesentlichen konstant Besonders im Fall eines medizinischen Endoskops schwankt der Wert des Reflexionsvermögens R nur geringfügig über die gesamte Innenwand eines ICörperhohlraums eines gegebenen Körperorgans und kann als im wesentlichen konstant betrachtet werden, wenn sich auch der Wert von einem inneren Organ zum anderen stark unterscheidet Bei der Beobachtung oder beim Photographieren eines gegebenen inneren Körperorgans kann man also davon ausgehen, daß die Helligkeit umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung /ist, siehe Gleichung (5) oben. Bei einer Linse der in einem Endoskop verwendeten Art, bei dem in der Nähe des vorderen Brennpunktes einer Objektivlinse ein Anschlag vorgesehen ist, ist die Helligkeit einer Abbildung proportional zur Helligkeit eines beobachteten Objekts, und zwar unabhängig vom Wert der Vergrößerung, da die Blende konstant gehalten wird. Folglich zeigt die Messung der Helligkeit der Abbildung die Helligkeit L des Objektes gemäß Gleichung (1) an. Aus diesem Grund erlaubt die Bestimmung der Helligkeit des Objektes in der genannten Weise die Entfernung bis zum Objekt durch einen arithmetischen Vorgang zu bestimmen. Die so festgestellte Entfernung kann dann in einem Fokussiervorgang benutzt werden. Die Gleichung (1) läßt sich wie folgt umschreiben:

(2)

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Anhand von F i g. 1 soll ein Fokussiervorgang beschrieben werden, bei dem die mit Hilfe der Gleichung (2) bestimmte Entfernung / benutzt wird. F i g. 1 dient zur Darstellung eines Fokussiervorganges an einem flexiblen Endoskop mit einer Bildführung 2, die einer Beobachtungsoptik zugeordnet und von einem optischen Faserbündel gebildet ist. Vor der vorderen Stirnfläche 2a der Bildführung 2 ist eine Objektivlinse 1 angeordnet Mit Abstand vor der Objektivlinse 1 befindet sich ein zu beobachtendes Objekt K Anhand der mit / bezeichneten Entfernung zwischen der Objektivlinse 1 und dem Objekt Y und der mit χ bezeichneten Entfernung zwischen dem Objekt Y und dem vorderen Brennpunkt F ergibt sich aus F i g. 1, daß eine Abbildung des Objektes Van einem Punkt entsteht, der vom hinteren Brennpunkt F' einen Abstand D hat. Aufgrund der Newtonschen Abbildungsgleichung gilt folgendes:

xD = P (3)

Der Abstand D bedeutet, daß eine konjugierte Abbildungsebene 2a des Objektes Van einer Stelle am vorderen Ende der Bildführung 2 bestimmt ist welche die Lichtempfangsfläche des Endoskops darstellt. Da der aus dem optischen Faserbündel bestehenden Bildführung 2 ein fokussiertes Bild übertragen wird, ist der genannte Abstand D so gewählt, daß es sich hierbei um den Fokussierabstand bzw. Fokussierweg gemäß der Erfindung handelt. Aus Gleichung (3) ergibt sich:

(4)

wobei die Entfernung χ die Entfernung / gemäß Fig. 1 dargestellt, von der die Brennweite f substrahiert ist, so daß die Gleichung (4) wie folgt umgeschrieben werden kann:

(5)

Da die Brennweite / im allgemeinen viel kleiner ist als die Entferung /, kann sie vernachlässigt werden, so daß der obige Ausdruck wie folgt umgeschrieben werden kann:

Zi

(6)

Bei Einsatz der Gleichung (2) in die Gleichung (6) ergibt sich:

(7)

Die Gleichung (7) zeigt daß der Fokussierweg D durch Bestimmung der Helligkeit L des Objektes oder des vom Objekt reflektierten Lichts abgeleitet werden kann. Bei der Anordnung gemäß F i g. 1 wird der Fokussierweg D durch Bewegen der vorderen Stirnfläche 2a der Bildführung 2 nach hinten um den Abstand D vom hinteren Brennpunkt F' der Objektivlinse 1 weg erreicht. Statt die vordere Stirnfläche 2a der Bildführung 2 zu bewegen, sei jedoch darauf hingewiesen, daß das Fokussieren auch durch Bewegen der Objektivlinse 1 um den Fokussierweg D erreicht werden kann.

Wie schon erwähnt, hängt der Wert des Reflexionsvermögens R von den betrachteten Objekten ab. Allerdings kann der Wert des Reflexionsvermögens R unterschiedlicher zu beobachtender Objekte im voraus festgelegt werden und ein Durchschnittswert dieser Daten für die praktische Anwendung herangezogen werden. Für medizinische Endoskope schwankt z. B. der Wert des Reflexionsvermögens R in gewissem Ausmaß von Patient zu Patient. Allerdings ist diese Schwankung nicht so groß, daß für eine Beobachtung der gleichen Stelle oder des gleichen Bereichs nicht der oben genannte Durchschnittswert für praktische Zwecke ausreichend wäre. Wie sich aus der Gleichung (7) ergibt, ist der Einfluß des Reflexionsvermögens R auf das Ausmaß des Fokussierweges D proportional zu dessen Quadratwurzel, so daß infolgedessen der Einfluß unterschiedlicher Werte des Reflexionsvermögens R von einem Patienten zum anderen auf die Exaktheit der Bestimmung verhältnismäßig gering ist.

Es soll nun die Ableitung der Entfernung / von der Helligkeit L des Objektes beschrieben werden. F i g. 2 zeigt das durch die Gleichung (1) festgelegte Verhältnis, wobei die Helligkeit L auf der Ordinate und die Entfernung / auf der Abszisse eingetragen ist. Der Koeffizient Arder Lichtdurchlässigkeit und die Helligkeit L hängen von der jeweils verwendeten Beleuchtung ab. Folglich haben Kurven, die die Helligkeit L darstellen, ein unterschiedliches Gefalle je nach den Werten des Reflexionsvetmögens R. Insbesondere kann eine Anzahl von Kurven erhalten werden, bei denen das Reflexionsvermögen R als ein Parameter (Ra — Rt) gewählt ist.

Angenommen, es würde von Hand scharf eingestellt, um eine Helligkeit Lo und eine Entfernung /0 zu erhalten, dann ergibt sich bei der Gleichung (1) folgendes:

kBR

Das Reflexionsvermögen R kann von der Gleichung (8) auf folgende Weise abgeleitet werden:

kB

In der graphischen Darstellung gemäß F i g. 2 soll ein durch die Helligkeit Lo und die Entfernung k bestimmter Punkt (Iq, Lo) als Punkt P angenommen werden. Eine durch diesen Punkt verlaufende Kurve stellt dann ein Kontrollverhältnis zwischen der Helligkeit L und der Entfernung /dar. Kenntnis der Helligkeit L ermöglicht es also, den Wert der Entfernung /anhand dieser Kurve zu bestimmen.

Die obige Beschreibung geht davon aus, daß das Reflexionsvermögen R anfangs festgelegt wurde, um aus der Helligkeit Ldie Entfernung /abzuleiten. In der Praxis kann jedoch der Wert der Entfernung / auch bestimmt werden, ohne daß zuerst das Reflexionsvermögen R festgelegt wird. Bei Einsatz der Gleichung (9) in die Gleichung (1) und einer geringfügigen Abwandlung ergibt sich folgender Ausdruck:

(10)

Die Entfernung / kann aus der Gleichung (10) auf folgende Weise abgeleitet werden:

(H)

Aus der Gleichung (11) geht hervor, daß die Entfernung / bis zum Objekt ohne weiteres durch einfache Bestimmung des Wertes der Helligkeit L des Objektes bestimmt werden kann, vorausgesetzt daß die Ausgangswerte der Helligkeit Lo und Entfernung k bekannt sind, ohne daß das Reflexionsvermögen R bekannt sein muß. Die festgestellte Entfernung / kann dann zur leichten Ableitung des Fokussierweges D gemäß Gleichung (5) oder (6) herangezogen werden.

Nachfolgend soll eine Fokussiervorrichtung, deren Betrieb auf dem erfindur.gsgemäßen Prinzip beruht, anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben werden.

Fig.3 zeigt ein flexibles Endoskop 20 mit einer Bildführung 2 einer Beobachtungsoptik in Form eines optischen Faserbündels, einer Lichtführung 3 für eine Beleuchtungsoptik, die gleichfalls aus einem optischen Faserbündel besteht und parallel zur Bildführung 2 verläuft, einer Lichtquelle 4, die in der Nähe des hinteren Endes der Lichtführung 3 angeordnet ist, einer mit Abstand von der vorderen Stirnfläche 2a der Bildführung 2 angeordneten Objektivlinse 1, einem mit Abstand hinter der hinteren Stirnfläche 2b der Bildführung 2 angeordneten Strahlenteiler 5, einem lichtelektrischen Wandlerelement 8, welches eine Lichtmessung an einem Teil des Lichts vom StrahlenteDer 5 vornimmt, einer Signalverarbeitungsschaltung 9, die auf ein elektrisches Ausgangssignal des Wandlerelements 8 anspricht, einer Senkvorrichtung 10, die von einem elektrischen Ausgangssignal der Signalverarbeitungsschaltung 9 zum Steuern der Position der Objektivlinse 1 antreibbar ist, sowie einem mit Abstand hinter dem Strahlenteiler 5 angeordneten Okular sowie einem Photoobjektiv 6, welche die Beobachtung eines vom Strahlenteiler gelieferten optischen Bildes ermöglichen. Es sei noch erwähnt, daß hinter dem Photoobjektiv 6 ein photographischer Film 7 angeordnet ist.

Das hier beschriebene Endoskop 20 hat einen Bereich 21, der einen Teil sowohl der Bildführung 2 als auch der Lichtführung 3 umfaßt und in einen Körperhohlraum

ίο oder ins Innere einer Maschine einsetzbar ist. Die Lichtführung 3 und die Lichtquelle 4 bilden gemeinsam eine dem Endoskop 20 zugeordnete Beleuchtungseinheit. Licht von der Lichtquelle 4 wird durch die Lichtführung 3 übertragen und beleuchtet ein vor der Objektivlinse 1 liegendes Objekt Z. Das vom Objekt Z reflektierte Licht wird durch die Objektivlinse I übertragen und gelangt auf dem Weg über die Bildführung 2 zum Strahlenteiler 5. Ein Teil des Lichts vom Strahlenteiler 5 wird einer Photometrie mit Hilfe des Wandlerelements 8 unterzogen, welches ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Größe proportional zu der auf das Wandlerelement fallenden Lichtmenge ist. Dies Signal wird an die Signalverarbeitungsschaltung 9 angelegt, die auf das empfangene Signal mit einer Rechenoperation reagiert, um ein Signal zu entwickeln, welches die Servovorrichtung 10 antreibt, um auf diese Weise die Scharfeinstellung der Objektivlinse 1 zu steuern. Es sei noch erwähnt, daß bei dem in der Signalverarbeitungsschaltung 9 vorgenommenen Re chenvorgang die Entfernung / vom elektrischen Ausgangssignal entsprechend der Gleichung (11) und der Fokussierweg D entsprechend der Gleichung (5) oder (6) abgeleitet wird. Ein solcher Rechenvorgang kann ohne weiteres unter Benutzung eines allgemein bekannten Mikrocomputers oder eines festverdrahteten Logikteils durchgeführt werden. Es sei noch erwähnt, daß die Ausgangswerte der Helligkeit und Entfernung Lo und k im voraus bestimmt und gespeichert werden, ehe der Rechenvorgang durchgeführt wird.

Wenn die Signalverarbeitungsschaltung 9 den Fokussierweg D bestimmt hat treibt sie die Servovorrichtung 10 über eine hier nicht gezeigte Ausgangsschaltung entsprechend dem Wert des Fokussierweges D, wodurch die Objektivlinse 1 um den Fokussierweg D verschoben wird. Auf diese Weise läßt sich die Objektivlinse 1 auf das Objekt Zscharf einstellen.

Andererseits wird ein optisches Bild des Strahlenteilers 5 über das Okular und das Photoobjektiv 6 übertragen und trifft über einen hier nicht gezeigten Verschluß auf den Film 7 auf. Wenn die Kombination aus Signalverarbeitungsschaltung 9 und Servovorrichtung 10 die Objektivlinse 1 scharf eingestellt hat, wird der Verschluß betätigt, damit eine Aufnahme gemacht werden kann.

Die obige Beschreibung betrifft die Anwendung der Erfindung an einem flexiblen Endoskop 20 mit einem optischen Faserbündel Die Erfindung kann aber gleichermaßen an einem starren Endoskop angewandt werden, welches anstelle der optischen Fasern Übertra gungslinsen aufweist Eine solche Anordnung sofl unter Hinweis auf F i g. 4 erläutert werden.

Fig.4 zeigt schematisch den wesentlichen Tefl eines starren Endoskops 11, an dem die Erfindung vorgesehen ist Eine Beobachtungsoptik 22 weist eine Anordnung aus einer Vielzahl von Übertragungslinsen 29 sowie eine Objektivlinse 30 auf. Mit Abstand hinter den Übertragungslinsen 29 (Linsenkette) sind ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 ein Strahlenteiler 25,

ein Okular 31, ein Photoobjektiv 26 sowie ein Film 27 angeordnet. Unterhalb des Strahlenteilers 25 ist ein lichtelektrisches Wandlerelement 28 vorgesehen, welches einen Teil des Lichtes der Übertragungslinsen 29 nach Teilung durch den Strahlenteiler 25 einer Photometric unterwirft. In der Nähe der Beobachtungsoptik 22 ist eine Lichtführung 23 in Form eines optischen Faserbündel angeordnet, die eine Beleuchtungsoptik bildet. Gemeinsam mit der Lichtführung bildet eine Lichtquelle 24, die in der Nähe des hinteren Endes der Lichtführung 23 angeordnet ist, ein Beleuchtungssystem.

Das Endoskop gemäß Fig.4 arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie das Endoskop 20 gemäß F i g. 3. Mit anderen Worten, es wird ein zu beobachtendes Objekt mit Licht von der Lichtquelle 24 durch die Lichtführung 23 beleuchtet, das reflektierte Licht durch die Objektivlinse und die Übertragungslinsen 29 zum Strahlenteiler 25 geleitet und mit Hilfe des Wandlerelements 28 eine Lichtmessung vorgenommen. Das Wandlerelement 28 erzeugt ein Ausgangssignal, welches an eine ebenso wie die Signalverarbeitungsschaltung 9 gemäß F i g. 3 aufgebaute Signalverarbeitungsschaltung angelegt wird. Der Ausgang der Signalverarbeitungsschaltung wird an eine Servovorrichtung angelegt, die den gleichen Aufbau hat wie die Servovorrichtung 10 gemäß F i g. 3, um eine Scharfeinstellung des Endoskops 11 durchzuführen.

Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß beim harten Endoskop der Ausgang der Servovorrichtung zum Bewegen des Photoobjektivs 26 benutzt wird, um den Fokussiervorgang durchzuführen. Allerdings kann die Scharfeinstellung auch durch Bewegung entweder der Objektivlinse 30, der Anordnung aus Überlragungslinsen 29 oder des Okulars 31 erzielt werden. Beim harten Endoskop liegt eine Lichtempfangsfläche der Beobachtungsoptik auf der Filmoberfläche, so daß die Scharfeinstellung so erfolgt, daß eine konjugierte Abbildungsebene des Objektes mit der Filmoberfläche zusammenfällt.

Die obige Beschreibung gilt für einen automatischen Fokussiervorgang. Statt die Scharfeinstellung selbsttätig vorzunehmen, kann jedoch auch ein Lichtmeßwert oder ein Fokussierweg angezeigt und die Scharfeinstellung in Übereinstimmung mit dem angezeigten Wert von Hand vorgenommen werden. In diesem Fall kann auf einen Teil der Signalverarbeitungsschaltung und die Servovorrichtung verzichtet werden.

Es sei noch erwähnt, daß die Anordnung des Wandlerelements nicht auf die in den Zeichnungen gezeigte Lage begrenzt ist, sondern daß das Wandlerelement auch an Deliebiger Stelle am vorderen Ende oder an einer Zwischenstelle des Endoskops oder in der Nähe des Okulars vorgesehen sein kann. Außerdem kann das Wandlerelement in Form eines Zubehörteils, gesondert vom Endoskop vorgesehen sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

30 2! Patentansprüche:

1. Verfahren zum Scharfeinstellen eines optischen Systems auf ein Objekt durch Beleuchten des Objekts, Feststellen der Beleuchtungsstärke des vom Objekt reflektierten Lichts, Berechnen der Entfernung des Objekts vom optischen System aufgrund des fotometrischen Abstandsgesetzes

B