DE3139884C2

DE3139884C2 -

Info

Publication number: DE3139884C2
Application number: DE3139884A
Authority: DE
Inventors: Ken-Ichi Hachiouji Tokio/Tokyo Jp Nakahashi
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1980-10-08
Filing date: 1981-10-07
Publication date: 1987-06-25
Also published as: DE3139884A1; JPS6046410B2; US4403837A; JPS5764207A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Endoskopobjektiv mit einer einzelstehenden ersten, gegenstandsseitig konvexen negativen Linse, einer einzelstehenden zweiten, gegenstandsseitig konkaven positiven Linse, einer einzelstehenden dritten, positiven Linse und einer vierten Linse, die als Kittglied aus einer positiven Linse und einer negativen Linse zusammengesetzt ist.

Aus der DE-OS 25 47 713 ist ein Endoskop dieses Aufbaus bekannt; bei der für einen vorgegebenen Durchmesser des Faserbündels zur Erzielung eines großen Objektivbildfeldes notwendigen Brennweite des Endoskopobjektivs ist durch die in dem Zwischenraum vom Objektiv und Faserbündel sich ansammelnden Schmutzteilchen eine starke Beeinträchtigung des Bildes gegeben, da durch die Biegung des Faserbündels immer auch Relativbewegungen der Fasern erfolgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Beeinträchtigung des Bildes zu vermeiden.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale.

Bei einem nur aus zwei miteinander verkitteten Linsen bestehenden Endoskopobjektiv, wie es Gegenstand einer älteren, später als DE-OS 30 29 799 veröffentlichten, Anmeldung ist, ist schon eine plankonvexe Linse als Feldlinse dafür vorgesehen, den Einfallswinkel des Hauptstrahles auf den Bildleiter zu verringern, wobei Linse und Bildleiter miteinander verkittet sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen nach der Erfindung, wie sie in den Unteransprüchen gekennzeichnet sind, werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Schnittbild eines Endoskopobjektivs nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2A, 2B Korrekturkurven eines ersten Objektivs nach der Erfindung,

Fig. 3A, 3B Korrekturkurven eines zweiten Objektivs nach der Erfindung,

Fig. 4A, 4B Korrekturkurven eines dritten Objektivs nach der Erfindung,

Fig. 5A, 5B Korrekturkurven eines vierten Objektivs nach der Erfindung,

Fig. 6A, 6B Korrekturkurven eines fünften Objektivs nach der Erfindung,

Fig. 7A, 7B Korrekturkurven eines sechsten Objektivs nach der Erfindung,

Fig. 8A, 8B Korrekturkurven eines siebten Objektivs nach der Erfindung,

Fig. 9A, 9B Korrekturkurven eines achten Objektivs nach der Erfindung,

Fig. 10A, 10B Korrekturkurven eines neunten Objektivs nach der Erfindung,

Fig. 11A, 11B Korrekturkurven eines zehnten Objektivs nach der Erfindung,

Fig. 12A, 12B Korrekturkurven eines elften Objektivs nach der Erfindung.

Wie Fig.1 zeigt, besitzen die erfindungsgemäßen Endoskopobjektive ein erstes Linsenglied in Form einer gegenstandsseitig konvexen negativen Meniskuslinse, ein zweites Linsenglied in Form einer gegenstandsseitig konkaven positiven Meniskuslinse, ein drittes Linsenglied in Form einer positiven Linse, ein viertes Linsenglied in Form eines Kittglieds aus einer positiven Linse und einer negativen Linse und ein fünftes Linsenglied in Form einer positiven Linse.

Zur Erzielung einer guten Abbildungsleistung hat sich die Einhaltung der folgenden Bedingungen aus den nachstehend näher erläuterten Gründen als wesentlich erwiesen.

(1) r₃≦-3f
(2) -1,5≦r₆/r₇≦-0,5
(3) -4,0f≦r₆≦-1,0f
(4) -3,0f<r₄<-0,8f
(5) 1,0f<|r₈ |<2,5f
(6) |r₄-n₅ |<0,1

worin bezeichnen:

r₃, r₄, r₆, r₇ und r₈ die Krümmungsradien der beiden Oberflächen des zweiten Linsenglieds, der bildseitigen Oberfläche des dritten Linsenglieds und der gegenstandsseitigen Oberfläche und der Kittfläche des vierten Linsenglieds,
n₄ und n₅ die Brechzahlen der das vierte Linsenglied bildenden Linsen und
f die Brennweite des Objektivs.

Bei dem erfindungsgemäßen Objektiv ist eine konkave Meniskuslinse mit der konvexen Fläche gegenstandsseitig als erstes Linsenglied vorgesehen, um ein großes nutzbares Bildfeld von etwa 2×60° zu erhalten. Weiterhin ist es durch diese Ausbildung des ersten Linsenglieds möglich, ein auf das an der Rückseite dieses Linsenglieds angeordnete optische System (d. h. an der der Gegenstandsseite gegenüberliegenden Seite) fallendes Lichtstrahlbündel klein zu halten und damit auch den Durchmesser des zweiten, dritten, vierten und fünften Linsenglieds. Weiterhin kann durch die Ausbildung des ersten Linsenglieds als negative Linse mit großer Krümmung und konkaver Oberfläche die Petzvalsumme klein gehalten werden, und dadurch kann selbst bei einem Bildfeld von ungefähr 2×60° die Bildfeldkrümmung korrigiert werden.

Das zweite Linsenglied ist als gegenstandsseitig konkave Meniskuslinse ausgebildet, um sphärische Aberration zu korrigieren. Um die sphärische Aberration zu korrigieren, sollte der Krümmungsradius r₃ der gegenstandsseitigen Oberfläche dieser Linse der Bedingung (1) genügen. Wenn abweichend von der Bedingung (1) r₃<-3f ist, wird die Ausbiegung der sphärischen Aberration groß.

Das dritte Linsenglied ist auf beiden Oberflächen konvex, um den unzureichend korrigierten Astigmatismus zu korrigieren, der auftritt, da das erste Linsenglied als negative Meniskuslinse mit großer Krümmung der konkaven Oberfläche ausgebildet ist. Sie dient ferner zur Korrektur von sphärischer Aberration. Dieses dritte Linsenglied ist besonders wirksam in einem Objektiv des Typs, in dem eine negative Meniskuslinse mit großer Krümmung der konkaven Oberfläche als erstes Linsenglied verwendet wird, um das Bildfeld groß zu machen, wie es bei dem erfindungsgemäßen Objektiv der Fall ist. Weiterhin ist es wesentlich, daß die bildseitige Oberfläche des dritten Linsenglieds und die gegenstandsseitige Oberfläche des vierten Linsenglieds der Bedingung (2) genügen. Dabei sollte der Krümmungsradius r₆ der bildseitigen Oberfläche des dritten Linsenglieds für sich der Bedingung (3) genügen. Diese Bedingungen (2) und (3) sind Bedingungen, die wesentlich sind, die Ausbiegung der sphärischen Aberration gering zu halten und Koma zu korrigieren. Insbesondere ist die Erfüllung der Bedingung (2) wichtig zur Vermeidung von Koma. Das heißt, wenn r₆/r₇ kleiner ist als der untere Grenzwert -1,5, wird die Queraberration des außeraxialen Strahlenbündels außerhalb vom Hauptstrahl negativ, und wenn r₆/r₇ nicht kleiner ist als -0,5, wird die außeraxiale Queraberration positiv. In beiden Fällen ergibt sich Koma durch beträchtliche Unsymmetrie. Die Bedingung (3) beinhaltet, daß r₆ immer einen negaitven Wert besitzt. Dies ist wesentlich, da die bildseitige Oberfläche des dritten Linsenglieds mit ihrer Form dazu dient, daß eine Oberfläche zur Blende konkav ist, wobei die Blende zwischen dem ersten Linsenglied und dem zweiten Linsenglied angeordnet ist, so daß eine ausreichende Korrektur der betreffenden Aberration erreicht wird, und daß außeraxiale Lichtbündel symmetrisch werden. Wenn jedoch r₆ kleiner ist als der untere Grenzwert -4,0f in der Bedingung (3), wird die Wirkung der zur Blende konkaven bildseitigen Oberfläche des dritten Linsengliedes zu schwach, und die Symmetrie geht verloren. Wenn andererseits r₆ nicht größer ist als -1,0f, wird ebenso wie wenn Bedingung (1) nicht erfüllt ist, eine große Ausbiegung des Randteils der sphärischen Aberration auftreten, und infolgedessen wird es schwierig, diese Aberration zu kompensieren. Weiterhin ist es auch bezüglich des zweiten Linsenglieds, aus dem gleichen Grund wie bei der Bedingung (3) erläutert, notwendig, daß der Krümmungsradius r₄ der bildseitigen Oberfläche der Bedingung (4) genügt. Wenn nämlich r₄ den unteren Grenzwert -3,0f unterschreitet, geht die Symmetrie des außeraxialen Lichtstrahlbündels verloren, und wenn der obere Grenzwert -0,8f überschritten wird, wird die Ausbiegung der sphärischen Aberration groß, und es wird schwierig, diese Aberration auszugleichen. Da die bildseitige Oberfläche des zweiten Linsenglieds näher zur Blende liegt als die bildseitige Oberfläche des dritten Linsenglieds, ist sie noch wirksamer. Insoweit besteht ein Unterschied hinsichtlich der Bedingungen (3) und (4).

Das vierte Linsenglied ist besonders wesentlich zur Korrektur chromatischer Aberration und zur Korrektur axialer und außeraxialer Queraberration höherer Ordnung. Für die Korrektur chromatischer Aberration sollte der Krümmungsradius r₈ der Kittfläche des vierten Linsenglieds der Bedingung (5) genügen und die Brechzahlen n₄ und n₅ der beiden das vierte Linsenglied bildenden Linsen sollten der Bedingung (6) genügen.

Diese Bedingungen stehen in Bezug aufeinander und dienen dazu, die chromatische Längsaberration und den Farbvergrößerungsfehler zu korrigieren und auszugleichen. Wenn |n₄-n₅ | von dem durch die Bedingung (6) gegebenen Bereich abweicht, wird die Brechkraft der Kittfläche so klein, daß die chromatische Aberration nicht korrigiert werden kann. In gleicher Weise wird, wenn |r₈ | den oberen Grenzwert 2,5f der Bedingung (5) überschreitet, die Brechkraft der Kittfläche so klein, daß die Korrektur der chromatischen Aberration schwierig wird. Wenn andererseits |r₈ | den unteren Grenzwert 1,0f unterschreitet, wird die Brechkraft der Kittfläche so stark, daß chromatische Aberration überkorrigiert wird.

Weiterhin dient die Bedingung (5) nicht nur zur Korrektur von chromatischer Aberration, sondern auch zur Korrektur von axialer und außeraxialer Queraberration höherer Ordnung. Dies ist sehr wirksam bei einem Objektiv, dessen Bildfeld groß ist, wie es bei dem Objektiv nach der vorliegenden Erfindung der Fall ist, und bei dem die Zahl der Linsenglieder nicht so groß ist wie in einem fotografischen Objektiv. Wenn der obere oder der untere Grenzwert der Bedingung (5) über- bzw. unterschritten wird, ist es kaum möglich, die oben erwähnten Queraberrationen zu korrigieren. In dem Fall, daß das Endoskopobjektiv vor einem Glasfaserbündel verwendet wird, wie bei der vorliegenen Erfindung vorgesehen, ist es zweckmäßig, die bildseitige Oberfläche des fünften Lisnenglieds eben auszubilden und diese Linsenfläche mit dem Glasfaserbündel zu verkitten.

Das fünfte Linsenglied des erfindungsgemäßen Objektivs ist eine Feldlinse, die die Hauptstrahlen nahezu parallel zur optischen Achse macht. Ein Charakteristikum des Glasfaserbündels ist dessen geringe Durchlässigkeit für einen unter einem großen Winkel auftreffenden Strahl. Aus diesem Grunde ist eine Endoskopobjektiven die Blende normalerweise an der Stelle des frontseitigen Brennpunktes der ganzen an der Bildseite der Blende liegenden Linsengruppe angeordnet. Wenn jedoch die Blende an dieser Stelle liegt, wird negative Verzeichnung erzeugt. Insbesondere wird im Falle eines Objektivs mit so großem Bildfeld wie bei dem erfindungsgemäßen Objektiv, die negative Verzeichnung so stark, daß das Objektiv nicht den Anforderungen für den praktischen Einsatz solcher Endoskope genügt. (Nebenbei: die Verzeichnung, die in der Praxis kein Problem darstellt, liegt bei ungefähr -50%). Daher ist bei dem erfindungsgemäßen Objektiv die Blende in einem Bereich angeordnet, in dem eine praktisch zulässige Verzeichnung gegeben ist, und deshalb ist eine positive Linse als fünftes Linsenglied so vorgesehen, daß der Einfallswinkel der Strahlen auf das Glasfaserbündel nahezu 0 ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Objektiv ist die bildseitige Schnittweite so klein, daß die Bildebene nahe dem Objektiv liegt. Da eine Feldlinse dort angeordnet ist, ist die Bildebene so nahe an der Linsenoberfläche, daß Schleifspuren oder Schmutzteilchen auf dieser Linsenoberfläche im Endoskop mitbeobachtet werden. Dies ist unerwünscht. Daher ist eine plankonvexe Linse als fünftes Linsenglied vorgesehen, die an der Planseite mit dem Glasfaserbündel verkittet ist, so daß keine Beschädigung oder dergleichen auftreten kann und daß Schmutz oder dergleichen nicht in das System gelangen kann.

Die erfindungsgemäßen Objektive 1 bis 11 haben die nachstehend in den Tabelle 1 bis 11 aufgeführten Daten.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5

Tabelle 6

Tabelle 7

Tabelle 8

Tabelle 9

Tabelle 10

Tabelle 11

In den Tabellen bezeichnen:

r₁ bis r₁₁die Krümmungsradien der Linsenoberflächen, Sdie Blende, d₁ bis d₁₁die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen (d₂ ist der Luftabstand zwischen der bildseitigen Oberfläche des ersten Linsenglieds und der Blende und d₃ der Luftabstand zwischen der Blende und der bildseitigen Oberfläche des zweiten Linsenglieds), n₁ bis n₆die Brechzahlen der Linsen, ν₁ bis ν₆die Abbe-Zahlen der Linsen, fdie Brennweite des Objektivs, sdie Entfernung von der ersten Linsenoberfläche zum Objekt, NAdie bildseitige numerische Apertur, IHdie Bildhöhe und 2wdas Bildfeld.

Claims

1. Endoskopobjektiv mit einer einzelstehenden ersten, gegenstandsseitig konvexen negativen Linse, einer einzelstehenden zweiten, gegenstandsseitig konkaven positiven Linse, einer einzelstehenden dritten, positiven Linse und einer vierten Linse, die als Kittglied aus einer positiven Linse und einer negativen Linse zusammengesetzt ist, gekennzeichnet durch ein plankonvexes Linsenglied als fünfte Linse, dessen bildseitig liegende Planfläche mit dem Bildaufnahmeende eines Glasfaserbündels verkittet ist.

2. Endoskopobjektiv nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Erfüllung der folgenden Bedingungen:

(1) r₃≦-3f
(2) -1,5≦r₆/r₇≦-0,5
(3) -4,0f≦r₆≦-1,0f
(4) -3,0f<r₄<-0,8f
(5) 1,0f<|r₈ |<2,5f
(6) |n₄-n₅ |<0,1

worin bezeichnen: r₃, r₄, r₆, r₇ und r₈ die Krümmungsradien der beiden Oberflächen des zweiten Linsenglieds, der bildseitigen Oberfläche des dritten Linsenglieds und der gegenstandsseitigen Oberfläche und der Kittfläche des vierten Linsenglieds,
n₄ und n₅ die Brechzahlen der das vierte Linsenglied bildenden Linsen und
f die Brennweite des Objektivs.

3. Endoskopobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch folgende Daten ±5%:

Tabelle 1

worin bezeichnen: r₁ bis r₁₁die Krümmungsradien der Linsenoberflächen, Sdie Blende, d₁ bis d₁₁die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen (d₂ ist der Luftabstand zwischen der bildseitigen Oberfläche des ersten Linsenglieds und der Blende und d₃ der Luftabstand zwischen der Blende und der bildseitigen Oberfläche des zweiten Linsenglieds), n₁ bis n₆die Brechzahlen der Linsen, ν₁ bis ν₆die Abbe-Zahlen der Linsen, fdie Brennweite des Objektivs, sdie Entfernung von der ersten Linsenoberfläche zum Objekt, NAdie bildseitige numerische Apertur, IHdie Bildhöhe und 2wdas Bildfeld.

4. Endoskopobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch folgende Daten ±5%:

Tabelle 2

5. Endoskopobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch folgende Daten ±5%:

Tabelle 3

6. Endoskopobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch folgende Daten ±5%:

Tabelle 4

worin bezeichnen: r₁ bis r₁₁die Krümmungsradien der Linsenoberflächen, Sdie Blende, d₁ bis d₁₁die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen (d₂ ist der Luftabstand zwischen der bildseitigen Oberfläche des ersten Linsenglieds und der Blende und d₃ der Luftabstand zwischen der Blende und der bildseitigen Oberfläche des zweiten Linsenglieds), n₁ bis n₆die Brechzahlen der Linsen, n₁ bis ν₆die Abbe-Zahlen der Linsen, fdie Brennweite des Objektivs, sdie Entfernung von der ersten Linsenoberfläche zum Objekt, NAdie bildseitige numerische Apertur, IHdie Bildhöhe und 2wdas Bildfeld.

7. Endoskopobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch folgende Daten ±5%:

Tabelle 5

8. Endoskopobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch folgende Daten ±5%:

Tabelle 6

9. Endoskopobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch folgende Daten ±5%:

Tabelle 7

10. Endoskopobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch folgende Daten ±5%:

Tabelle 8

11. Endoskopobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch folgende Daten ±5%:

Tabelle 9

12. Endoskopobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch folgende Daten ±5%:

Tabelle 10

13. Endoskopobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch folgende Daten ±5%:

Tabelle 11