DE3029799A1

DE3029799A1 - Endoskopobjektiv

Info

Publication number: DE3029799A1
Application number: DE19803029799
Authority: DE
Inventors: Ken-Ichi Nakahashi
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1979-08-07
Filing date: 1980-08-06
Publication date: 1981-02-19
Also published as: DE3029799C2; JPS5625709A; US4354734A; JPS6128965B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Endoskopobjektiv, insbesondere auf ein optisches Objektivsystem für Endoskope mit kleinen Durchmessern, wie Bronchoskopen.

Die Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch eine bekanntes optisches Objektivsystem für Endoskope,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßes optisches Objektivsystem für Endoskope und

Fig. 3 } Korrekturkurven erfindungsgemäßer Objektive 1 bis 6.

bis 8

Die bekannten Objektive für Bronchoskope und dergleichen verwenden eine halbkugelförmige Linse oder eine plankonvexe Linse mit nahezu halbkugelförmiger Gestalt, wie in Fig. 1 dargestellt. Dies liegt daran, dass solche Linsen leicht hergestellt werden können, und dass mit derartigen Linsen als Objektive für Endoskope für den praktischen Gebrauch ausreichende Abbildungsleistungen erzielt werden. Ein solches Objektiv, das aus einer derartigen Einzellinse besteht, hat jedoch die nachstehend näher erläuterten Nachteile.

Im Falle eines Objektives entsprechend Fig. 1 ist die Blende S zwischen dem Deckglas L[tief]1 und der halbkugelförmigen Linse L[tief]2 angeordnet, das heißt, an einer Stelle, die nahe dem Krümmungszentrum der halbkugelförmigen Linse L[tief]2 liegt, um das Auftreten von Astigmatismus zu verhindern. Daher sind die Hauptstrahlen durch die sphärische Oberfläche r[tief]3 der halbkugelförmigen Linse L[tief]2 kaum gebrochen und werden nur durch die ebene Fläche r[tief]1 des Deckglases L[tief]1 gebrochen. Wenn nun der Bildfeldwinkel groß wird, wird der Strahleintrittswinkel für einen Strahl, der in den Bildleiter G aus optischen Fasern eintritt, groß. Optische Fasern haben die Eigenschaft, dass ihr Durchlässigkeitsfaktor gering wird, wenn der Eintrittswinkel der eintretenden Strahlen groß wird. Diese Eigenschaft differiert in Abhängigkeit von solchen Faktoren, wie den Durchmesser der Glasfaser und dergleichen. Im allgemeinen ist der Durchlaßfaktor, wenn der Eintrittswinkel 10° ist, 50% von dem, bei dem der Eintrittswinkel 0° ist. Wenn daher der Bildfeldwinkel groß gemacht wird, indem die Größe der Bildfläche groß gemacht wird, verschlechtert sich das Bild im Randbereich. Zur Verhinderung dieses Nachteils kann der Brechungsindex der Linse groß gemacht werden, um eine große Brechung an der ersten Oberfläche des Objektivs zu erhalten. Ein anderes Verfahren besteht darin, die Blende an einer so nahe wie möglich am vorderen Brennpunkt gelegenen Stelle anzuordnen, wobei Astigmatismus so weit in Kauf genommen wird, wie er die praktische Verwendung nicht stört. Selbst wenn jedoch solche Methoden angewendet werden, beträgt der Bildfeldwinkel, in dem ein Bild mit guter Qualität erzielt werden kann, maximal etwa 40 bis 50°.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Objektivsystem für Endoskope anzugeben, das einen einfachen Linsenaufbau besitzt und das gleichzeitig eine Betrachtung mit weitem Bildfeldwinkel ermöglicht.

Dies wird erreicht durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale.

Das erfindungsgemäße Objektiv hat den schematisch in Fig. 2 gezeigten Aufbau und enthält ein erstes und ein zweites Linsenglied. Das erste Linsenglied wird von einem Deckglas L[tief]1 und einer plankonvexen Linse L[tief]2 gebildet, die miteinander unter Anordnung einer Blende S dazwischen verkittet sind. Das zweite

Linsenglied ist eine plankonvexe Linse L[tief]3, deren konvexe Fläche gegenstandsseitig liegt, während die ebene Fläche mit der Endfläche an der Eintrittsseite des Bildleiters G verkittet ist, der optische Fasern enthält.

In dem so ausgebildeten Objektiv hat die plankonvexe Linse L[tief]2 im ersten Linsenglied eine etwa halbkugelförmige Gestalt und ist aus einem Material mit hohem Brechungsindex hergestellt. Die nachstehend aufgeführten Bedingungen (1) und (2) definieren die Form bzw. den Brechungsindex der plankonvexen Linse L[tief]2.

(1) 0,7 /r[tief]3/ kleiner gleich d[tief]2 kleiner gleich 1,1/r[tief]3/

(2) n[tief]2 größer gleich 1,75

Darin bezeichnen

r[tief]3 den Krümmungsradius der bildseitigen Oberfläche der Linsen L[tief]2,

d[tief]2 die Dicke der Linse L[tief]2 und

n[tief]2 den Brechungsindex der Linse L[tief]2.

Aus der Bedingung (1) ergibt sich, dass die Linse L[tief]2 ungefähr halbkugelförmige Gestalt besitzt. Wenn die Dicke d[tief]2 der Linse L[tief]2 größer als der obere Grenzwert dieser Bedingung ist, wird der durch die Linse L[tief]2 hervorgerufene Astigmatismus überkorrigiert. Wenn andererseits d[tief]2 kleiner als der untere Grenzwert ist, wird dieser Astigmatismus unterkorrigiert.

Die Bedingung (2) legt für die Linse L[tief]2 die Verwendung eines Materials mit einem hohen Brechungsindex fest und verhindert so, dass die Petzval-Summe groß wird, andernfalls würde nämlich die Petzval-Summe groß werden, da das Objektiv nur aus konvexen Linsen zusammengesetzt ist. Wenn der Bedingung (2) genügt ist, ist es weiter möglich, den Krümmungsradius der Linse L[tief]2 groß zu machen und infolgedessen wird es leichter, die Linse L[tief]2 herzustellen. Wenn daher der Brechungsindex n[tief]2 der Linse L[tief]2 kleiner sein würde, als der untere Grenzwert der Bedingung (2), würde die Petzval-Summe groß und die Herstellung der Linse L[tief]2 würde erschwert sein.

Die plankonvexe Linse L[tief]3 ist eine Feldlinse, die dazu vorgesehen ist, den Einfallswinkel des Hauptstrahls auf den Lichtleiter zu verringern, wenn der Hauptstrahl von der Linse L[tief]2 den Lichtleiter erreicht. Wenn der Brennpunkt der Linse L[tief]3 in einer Stellung nahe der Blende liegt, tritt der Hauptstrahl, der die Blende durchläuft, in den Bildleiter mit einem kleinen Eintrittswinkel ein. Dies kann erreicht werden, wenn die Brennweite der Linse L[tief]3 ungefähr gleich d[tief]2 + d[tief]3 gemacht wird (wobei d[tief]2 die Dicke der Linse L[tief]2 und d[tief]3 den Luftabstand zwischen der Linse L[tief]2 und der Linse L[tief]3 bezeichnet). In der Praxis wird die Stellung der Blende etwas nach vorwärts oder rückwärts innerhalb des Bereiches der Bedingung (1) verlegt, um Aberrationen zu korrigieren, die von der Linse L[tief]3 verursacht werden. Auf jeden Fall ist die Funktion der Feldlinse zufriedenstellend, wenn der Eintrittswinkel auf den Bildleiter kleiner als ungefähr 10° gemacht wird.

Die nachstehend aufgeführte Bedingung (3) ist unter Einbeziehung dieses Gesichtspunktes aufgestellt worden.

(3) 0,6x(n[tief]3-1) (d[tief]2 + d[tief]3) kleiner gleich r[tief]4 kleiner gleich 1,4x (n[tief]3-1) (d[tief]2 + d[tief]3)

Darin bezeichnen r[tief]4 den Krümmungsradius der gegenstandsseitigen Oberfläche der Linse L[tief]3,

d[tief]2 die Dicke der Linse L[tief]2,

d[tief]3 den Luftabstand zwischen der Linse L[tief]2 und der Linse L[tief]3 und N[tief]3 den Brechungsindex der Linse L[tief]3.

Wenn r[tief]4 größer als der obere Grenzwert oder kleiner als der untere Grenzwert der Bedingung (3) ist, wird der Eintrittswinkel auf den Bildleiter groß und dies ist unerwünscht. Darüberhinaus ist es möglich, wenn ein Material mit einem hohen Brechungsindex, wie für die Linse L[tief]2 auch für die Linse L[tief]3 verwendet wird, möglich, die Petzval-Summe klein zu machen. Daher ist es vorteilhaft, den Brechungsindes n[tief]3 der Linse L[tief]3 so zu wählen, dass der nachstehend aufgeführten Bedingung (4) genügt ist

(4) n[tief]3 größer gleich 1,75

Wenn n[tief]3 kleiner als der untere Grenzwert der Bedingung (4) ist, wird die Petzval-Summe groß und dies ist unerwünscht.

Objektive für Endoskope haben sehr kurze Brennweiten und im Falle eines Objektivs, das nicht, wie das erfindungsgemäße Objektiv, eine Feldlinse enthält, kommt die hintere Oberfläche (die Oberfläche an der Bildseite) des Objektivs sehr nahe an die Oberfläche des Bildleiters heran. Daher werden Kratzer und andere Oberflächenfehler auf der Linsenoberfläche zugleich mit dem Bild des Objekts betrachtet. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird der Luftabstand zwischen der hinteren Oberfläche des Objektivs und der Eintrittsfläche des Bildleiters groß gemacht unter Benutzung der Tatsache, dass die Tiefenschärfe des Objektivs groß ist (da Endoskopobjektive, wie zuvor erwähnt, kurze Brennweiten besitzen, ist ihre Tiefenschärfe groß), so dass die Kratzer und übrigen Oberflächenfehler unerkenntlich bleiben. Im Falle eines Objektivs mit einer Feldlinse, wie beim erfindungsgemäßen Objektiv, ist dadurch, dass die Feldlinse L[tief]3 zwischen der Linse L[tief]2 und dem Bildleiter G angeordnet ist, es nicht möglich, den Luftabstand zwischen der Feldlinse L[tief]3 und dem Bildleiter G zufriedenstellend groß zu machen. Infolgedessen werden Kratzer und andere Oberflächenfehler auf der rückseitigen Oberfläche der Linse L[tief]3 wahrnehmbar und würden die Beobachtung stören. Erfindungsgemäß sind jedoch die Linse L[tief]3 und der Bildleiter miteinander verkittet, so dass Oberflächenfehler auf der Linsenoberfläche verschwinden. Auch werden Kratzer fast unwahrnehmbar, da sie mit dem Kitt (der einen Brechungsindex besitzt, der nahe dem des Glases ist) aufgefüllt werden.

Die erfindungsgemäßen Objektive 1 bis 6 haben die in den Tabellen 1 bis 6 aufgeführten Daten.

Tabelle 1

f=1 Entfernung zum Objekt = -30

2 kleines Omega = 63°21'

Tabelle 2

f=1 Entfernung zum Objekt = -30

2 kleines Omega = 63°4'

Tabelle 3

f=1 Entfernung zum Objekt = -30

2 kleines Omega = 59°40'

Tabelle 4

f=1 Entfernung zum Objekt = -30

2 kleines Omega = 90°36'

Tabelle 5

f=1 Entfernung zum Objekt = -30

2 kleines Omega = 69°34'

Tabelle 6

f=1 Entfernung zum Objekt = -30

2 kleines Omega = 89°14'

In den Tabellen bezeichnen

r[tief]1 bis r[tief]5 die Krümmungsradien der Linsenoberflächen,

d[tief]1 bis d[tief]4 die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,

n[tief]1, n[tief]2 und n[tief]3 die Brechungsindizes der Linsen,

kleines Ypsilon[tief]1, kleines Ypsilon[tief]2 und kleines Ypsilon[tief]3 die Abbe-Zahlen der Linsen,

f die Brennweite des Objektivs und

2 kleines Omega den Bildfeldwinkel des Objektivs.

Bei jedem dieser Objektive ist das Verhältnis zwischen dem Bildfeldwinkel 2 kleines Omega und dem Auftreffwinkel kleines Theta des Hauptstrahls auf das Faserbündel wie folgt:

Objektiv 1:

2 kleines Omega 63° 21' 42° 42' 30° 2' 17° 11'

kleines Theta 2° 43' 3° 14' 2° 40' 1° 48'

Objektiv 2:

2 kleines Omega 63° 4' 43° 2' 30° 17' 17° 59'

kleines Theta 7° 47' 2° 51' 1° 24' 37'

Objektiv 3:

2 kleines Omega 59° 40' 40° 39' 28° 42' 17° 5'

kleines Theta 3° 41' 1° 2' 19' 2'

Objektiv 4:

2 kleines Omega 90° 36' 58° 15' 40° 23' 23° 49'

kleines Theta 3° 36' 2° 27' 2° 44' 1° 57'

Objektiv 5:

2 kleines Omega 69° 34' 47° 25' 33° 29' 19° 56'

kleines Theta 24' 1° 44' 1° 39' 1° 13'

Objektiv 6:

2 kleines Omega 89° 14' 57° 54' 40° 13' 23° 44'

kleines Theta 0° 56' 3° 16' 3° 12' 2° 12'

Zum Vergleich werden die entsprechenden Daten für ein bekanntes Objektiv, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, beispielsweise angegeben, wobei ebenfalls dem Bildfeldwinkel 2 kleines Omega der Auftreffwinkel kleines Theta des Hauptstrahls auf den Bildleiter gegenübergestellt ist.

f=1 Entfernung zum Objektiv= -30

2 kleines Omega 40° 41' 28° 25' 20° 16' 12° 9'

kleines Theta 10° 38' 7° 29' 5° 21' 3° 13'

Wie sich aus diesem Vergleich ergibt, besitzt das erfindungsgemäße Objektiv im Vergleich zu dem bekannten Objektiv einen größeren Bildfeldwinkel und darüber hinaus ist der Winkel des Auftreffens des Hauptstrahls unter großem Bildfeldwinkel auf den Bildleiter außerordentlich gering.

Claims

1. Optisches Objektivsystem für Endoskope mit einem Objektiv und einem optischen Faserbündel als Bildleiter zur Übertragung des von dem Objektiv erzeugten Bildes, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv, dessen erstes Linsenglied aus einem mit einer plankovexen Linse verkitteten Deckglas unter Bildung einer dazwischen liegenden Blende besteht und dessen zweites Linsenglied von einer gegenstandsseitigen konvexen plankovexen Linse gebildet ist, den folgenden Bedingungen genügt

(1) 0,7 x /r[tief]3/ kleiner gleich d[tief]2 kleiner gleich 1,1 x (r[tief]3

(2) n[tief]2 größer gleich 1,75

(3) 0,6 x (n[tief]3-1) (d[tief]2+d[tief]3) kleiner gleich r[tief]4 kleiner gleich 1,4 x (n[tief]3-1) (d[tief]2 + d[tief]3)

(4) n[tief]3 größer gleich 1,75

in denen bezeichnen

r[tief]3 den Krümmungsradius auf der bildseitigen Oberfläche des ersten Linsenglieds,

r[tief]4 den Krümmungsradius auf der gegenstandsseitigen Oberfläche des zweiten Linsenglieds, d[tief]2 die Dicke der plankonvexen Linse im ersten Linsenglied,

d[tief]3 den Luftabstand zwischen erstem und zweitem Linsenglied,

n[tief]2 den Brechungsindex der plankonvexen Linse des ersten Linsenglieds und

n[tief]3 den Brechungsindex des zweiten Linsenglieds.

2. Optisches Objektivsystem für Endoskope nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bildseitige Oberfläche des zweiten Linsengliedes mit der Stirnfläche des bildübertragenden optischen Faserbündels verkittet ist.

3. Objektiv nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Daten +/- 5%:

Tabelle 1

f=1 Entfernung zum Objekt = -30

2 kleines Omega = 63° 21'

Darin bezeichnen:

r[tief]1 bis r[tief]5 die Krümmungsradien der Linsenoberflächen,

d[tief]1 bis d[tief]4 die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,

n[tief]1, n[tief]2 und n[tief]3 die Brechungsindizes der Linsen,

f die Brennweite des Objektivs und

2 kleines Omega den Bildfeldwinkel des Objektivs.

4. Objektiv nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Daten +/- 5%:

Tabelle 2:

f=1 Entfernung zum Objekt=-30

2 kleines Omega=63°4'

Darin bezeichnen:

r[tief]1 bis r[tief]5 die Krümmungsradien der Linsenoberflächen,

d[tief]1 bis d[tief]4 die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,

n[tief]1, n[tief]2 und n[tief]3 die Brechungsindizes der Linsen,

f die Brennweite des Objektivs und

2 kleines Omega den Bildfeldwinkel des Objektivs.

5. Objektiv nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Daten +/- 5%:

Tabelle 3:

f=1 Entfernung zum Objekt=-30

2 kleines Omega=59°40'

Darin bezeichnen:

r[tief]1 bis r[tief]5 die Krümmungsradien der Linsenoberflächen,

d[tief]1 bis d[tief]4 die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,

n[tief]1, n[tief]2 und n[tief]3 die Brechungsindizes der Linsen,

f die Brennweite des Objektivs und

2 kleines Omega den Bildfeldwinkel des Objektivs.

6. Objektiv nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Daten +/- 5%:

Tabelle 4

f=1 Entfernung zum Objektiv=-30

2 kleines Omega=90°36'

Darin bezeichnen:

r[tief]1 bis r[tief]5 die Krümmungsradien der Linsenoberflächen,

d[tief]1 bis d[tief]4 die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,

n[tief]1, n[tief]2 und n[tief]3 die Brechungsindizes der Linsen,

f die Brennweite des Objektivs und

2 kleines Omega den Bildfeldwinkel des Objektivs.

7. Objektiv nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Daten +/- 5%:

Tabelle 5

f=1 Entfernung zum Objekt=-30

2 kleines Omega=69°34'

Darin bezeichnen:

r[tief]1 bis r[tief]5 die Krümmungsradien der Linsenoberflächen,

d[tief]1 bis d[tief]4 die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,

n[tief]1, n[tief]2 und n[tief]3 die Brechungsindizes der Linsen,

f die Brennweite des Objektivs und

2 kleines Omega den Bildfeldwinkel des Objektivs.

8. Objektiv nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Daten +/- 5%:

Tabelle 6

f=1 Entfernung zum Objekt= -30

2 kleines Omega = 89°14'

Darin bezeichnen:

r[tief]1 bis r[tief]5 die Krümmungsradien der Linsenoberflächen,

d[tief]1 bis d[tief]4 die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,

n[tief]1, n[tief]2 und n[tief]3 die Brechnungsindizes der Linsen,

f die Brennweite des Objektivs und

2 kleines Omega den Bildfeldwinkel des Objektivs.