DE3214544A1

DE3214544A1 - Optical system for an endoscope

Info

Publication number: DE3214544A1
Application number: DE19823214544
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Omiya Saitama Doi; Hitoshi Omiya Saitama Miyano; Yasumasa Iwatsuki Saitama Sunaga
Original assignee: Fuji Photo Optical Co Ltd
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 1981-04-21
Filing date: 1982-04-20
Publication date: 1982-11-11
Also published as: JPS57173810A

Abstract

An optical lens system of the retrofocus type for endoscopes, consisting of a front, negative lens group (L1) and a rear, positive lens group (L2), which are arranged in front of an optical system for image transmission, such as an optical fibre bundle or the like, has an aspherical surface in at least one surface (R4; R7) below the surfaces of the optical system. Furthermore, the following conditions are fulfilled: 0.8 < ¦ f1 ¦ / f </= 2.5 and 1 < f2 / f </= 1.5, f being the focal length of the entire optical system, f1 the focal length of the front lens group (L1), and f2 the focal length of the rear lens group (L2).

Description

Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein optisches System für ein Endoskop, und insbesondere ein optisches System für das Objektiv eines Endoskops, das einen verringerten Durchmesser hat.The invention relates to an optical system for an endoscope, and in particular, an optical system for the objective of an endoscope that has a reduced Has diameter.

Neuerdings wird, um ein großes Gesichtsfeld in einem Endoskop zu erhalten, vom Objektiv des Endoskops gewünscht, daß es einen großen Bildwinkel hat. Insbesondere, um ein großes Gesichtsfeld beim Betrachten des Inneren eines menschlichen Körpers zu erhalten, ist der Bildwinkel des Objektivs eines Endoskops erweitert bzw. vergrößert worden. Jedoch führt die Erweiterung des Bildwinkels des Objektivs zu einem Anwachsen seines Durchmessers. Das Anwachsen oder Vergrößern des äußeren Durchmessers des Objektivs führt zu Schmerzen bei den Patienten, wenn das Endoskop in die Körperhöhle des menschlichen Körpers eingeführt wird, und ist dementsprechend nicht erwünscht.Recently, in order to obtain a large field of view in an endoscope, wanted the lens of the endoscope to have a large angle of view. In particular, around a large field of view when looking inside a human body To obtain, the angle of view of the lens of an endoscope is expanded or enlarged been. However, the widening of the angle of view of the lens leads to an increase its diameter. Growing or enlarging the outer diameter of the Lens leads to pain in the patient when the endoscope into the body cavity of the human body and is accordingly undesirable.

Im Hinblick auf die oben beschriebenen Umstände schafft die Erfindung ein optisches System für ein Objektiv eines Endoskops, das einen großen Bildwinkel, jedoch einen kleinen Durchmesser hat.In view of the above-described circumstances, the invention provides an optical system for an objective of an endoscope that has a large angle of view, but has a small diameter.

Das optische System für das Objektiv eines Endoskops ist dadurch gekennzeichnet, daß eine asphärische Fläche in das optische System eingeführt wird. Insbesondere ist das Objetiv- oder Linsensystem gemäß der Erfindung ein Objektiv vom Retrofokus-Typ für ein Endoskop, in dem mindestens eine seiner Flächen asphärisch ist und die folgenden Formeln erfüllt sind: 0,8C|f1l/f C 2,5 , und 1<f2/f < 1,5 wo f eine zusammengesetzte Brennweite ist, f1 eine Brennweite der vorderen Gruppe ist, und f2 eine Brennweite der hinteren Gruppe ist.The optical system for the objective of an endoscope is characterized by that an aspherical surface is introduced into the optical system. In particular the objective or lens system according to the invention is a lens of the retrofocus type for an endoscope in which at least one of its surfaces is aspherical and the following Formulas are fulfilled: 0.8C | f1l / f C 2.5, and 1 <f2 / f <1.5 where f is a composite focal length, f1 a front group focal length and f2 is a rear group focal length.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen, auf die wegen ihrer großen Klarheit und Ubersichtlichkeit bezüglich der Offenbarung ausdrücklich verwiesen wird, noch näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Darstellung des Linsensystems des Objektivs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, in Längsrichtung; Fig. 2 eine Darstellung des Linsensystems des Objektivs gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, in Längsrichtung; Fig. 3 eine erläuternde Darstellung eines Linsensystems, um das Prinzip der Erfindung zu erläutern; Fig. 4A eine Kurve, die die Korrektur für sphärische Aberration des in Fig. 1 und 2 gezeigten Linsensystems darstellt, wo das optische System nur aus sphärischen Flächen zusammengesetzt ist; Fig. 4B eine Kurve, die die Korrektur für Krümmung bzw.The invention is described below with reference to the accompanying drawings, because of the great clarity and clarity of the revelation is expressly referred to, explained in more detail. 1 shows an illustration of the lens system of the objective according to an embodiment of the invention, in the longitudinal direction; 2 shows an illustration of the lens system of the objective according to another embodiment of the invention, in the longitudinal direction; 3 shows an explanatory illustration of a lens system, to explain the principle of the invention; Figure 4A is a graph showing the correction for spherical aberration of the lens system shown in Figs. 1 and 2, where the optical system is composed only of spherical surfaces; Figure 4B a curve containing the correction for curvature or

Wölbung des in Fig. 1 und 2 gezeigten Linsen systems darstellt, wo das optische System nur aus sphärischen Flächen zusammengesetzt ist; Fig. 4C eine Kurve, die die Korrektur für Verzeichnung des in Fig. 1 und 2 gezeigten Linsensystems darstellt, wo das optische System nur aus sphärischen Flächen zusammengesetzt ist; und Fig. 5A, 5B und 5C den Fig. 4A, 4B und 4C entsprechende Kurven des Linsensystems gemäß der Erfindung, in dem mindestens eine seiner Flächen asphärisch ist. Curvature of the lens system shown in Figs. 1 and 2 represents where the optical system is composed only of spherical surfaces; Fig. 4C is a graph showing the correction for distortion of that shown in FIGS Lens system represents where the optical system is composed only of spherical surfaces is; and Figures 5A, 5B and 5C are graphs of the lens system corresponding to Figures 4A, 4B and 4C according to the invention in which at least one of its surfaces is aspherical.

Das retrofokusartige Linsensystem des Objektivs gemäß der Erfindung wird nachfolgend im einzelnen beschrieben. Es sollte klar sein, daß sich die hier verwendeten Ausdrücke "vorne" und "hinten" gemäß der herkömmlichen Übereinkunft auf die Seiten des Objektivs, die jeweils näher an und weiter von der längeren Konjugierten, d.h. dem längeren optischen Weg bzw. der Objekt seite, sind, beziehen.The retrofocus-like lens system of the objective according to the invention is described in detail below. It should be clear that this is here used terms "front" and "rear" according to conventional convention on the sides of the lens, each closer to and further from the longer conjugate, i.e. the longer optical path or the object side.

Bezugnehmend auf Fig. 1, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, sind eine vordere negative Teillinse G1, eine Aperturblende S, eine positive Linse G2 und eine positive Linse G3, wobei die zwei positiven Linsen G2 und G3 ein hinteres Bauteil bzw. Glied bilden, in dieser Reihefolge von vorne nach hinten, um ein retrofokusartiges Objektiv zu bilden, angeordnet.Referring to Fig. 1, which shows an embodiment of the invention, are a front negative sub-lens G1, an aperture stop S, a positive lens G2 and a positive lens G3, the two positive lenses G2 and G3 being a rear one Component or link form, in this order from front to back, around a retrofocus-like Objective to form arranged.

Unter den obigen Linsen ist die hintere Fläche R4 der hinteren Linse G3 des hinteren Bauteils in eine asphärische Fläche gebildet. Die vordere Teillinse G1 dient auch als Frontglas des Endoskops. Die Ebene P' ist eine Einstellebene, in der die Endfläche eines optischen Faserbündels oder ein Bildübertragungselement mit einer dazu äquivalenten Funktion angeordnet ist. Weiterhin können das vordere, aus der vorderen Linse G1 bestehende, Linsenbauteil bzw. Objektivglied L1 und das hintere, aus den zwei hinteren Linsen G2 und G3 bestehende, Linsenbauteil bzw. Objektivglied L2 in eine gröBere Anzahl von Linsen weiter aufgeteilt sein.Among the above lenses, the rear surface R4 is the rear lens G3 of the rear component formed into an aspherical surface. The front partial lens G1 also serves as the front glass of the endoscope. The level P 'is a setting level, in which the end face of an optical fiber bundle or an image transmission element is arranged with an equivalent function. Furthermore, the front, consisting of the front lens G1, lens component or lens element L1 and the rear lens component or lens element consisting of the two rear lenses G2 and G3 L2 can be further divided into a larger number of lenses.

In Fig. 2, die eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt, sind zwischen dem vorderen Objektivteil G1 und den hinteren Objektivteilen G3 bis G6 ein Reflexionsprisma G2 und eine Aperturblende S angebracht. In diesem optischen System ist die hintere Fläche R7 einer der hinteren Objektivglied-Linsen G5 in eine asphärische Fläche gebildet.In Fig. 2, which shows another embodiment of the invention, are between the front lens part G1 and the rear lens parts G3 to G6 a reflection prism G2 and an aperture stop S attached. In this optical System is the rear surface R7 of one of the rear objective link lenses G5 into one aspherical surface formed.

Da das Objektiv für ein Endoskop ein telezentrisches optisches System ist, ist es erwünscht, daß seine Aperturblende am vorderseitigen Brennpunkt F2 des dahinter angeordneten optischen Systems angeordnet ist, ohne Rücksicht auf die Zusammensetzung des Linsensystems. In dem Fall, wo das Objektivlinsensystem ein zweigliedriges System, wie in Fig.As the lens for an endoscope is a telecentric optical system is, it is desirable that its aperture stop at the front focal point F2 of the behind arranged optical system is arranged, regardless of the composition of the lens system. In the case where the objective lens system is a two-part system, as in Fig.

1 und 2 gezeigt, ist, ist die Aperturblende zwischen dem vorderen Objektivglied L1 und dem hinteren Objektivglied L2 angebracht.1 and 2, the aperture stop is between the front one Lens member L1 and the rear lens member L2 attached.

Nun wird das Objektivlinsensystem gemäß der Erfindung in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben. Im allgemeinen wird die zusammengesetzte Brennweite f eines Objektivlinsensystems der zweigliedrigen Art durch die folgende Formel dargestellt: 1 = 1 + 1 - d ........................ (1) f f1 f2 f1f2 1 2 12 worin f1 die Brennweite des vorderen Objektivgliedes ist, f2 die Brennweite des hinteren Objektivgliedes ist, und d der Abstand zwischen den Hauptpunkten der vorderen und hinteren Objektivglieder ist.The objective lens system according to the invention will now be described in further detail Details are described with reference to FIG. 3. In general, the compound The focal length f of an objective lens system of the bipartite type is given by the following Formula shown: 1 = 1 + 1 - d ........................ (1) f f1 f2 f1f2 1 2 12 where f1 is the focal length of the front lens element, f2 the focal length of the is the rear lens element, and d is the distance between the principal points of the front lens element and rear Lens members is.

Andererseits wird die folgende Formel aus Fig. 3 gewonnen: |f1||ß| = f ...................... (2) worin ß die Einstellvergrößerung des Objektivgliedes hinter dem vorderen Objektivglied ist, f1 die Brennweite des vorderen Objektivgliedes ist, und f die Brennweite des ganzen Linsensystems.On the other hand, the following formula is obtained from Fig. 3: | f1 || ß | = f ...................... (2) where ß is the setting magnification of the lens element behind the front lens element, f1 is the focal length of the front lens element and f is the focal length of the entire lens system.

Wo der Abstand zwischen dem hinteren Hauptpunkt H1' des vorderen Objektivgliedes L1 und dem vorderen Brennpunkt F2 des hinteren Objektivgliedes L2 e ist (e>O), wird der Abstand e durch die folgende Formel dargestellt: e = f2 - |f1| = |f1|(f2 - 1) ......... (3) |ß| f Aus den Formeln (2) und (3) wird der äußere Durchmesser des vorderen Objektivgliedes L1 durch die Formel dargestellt: #1 = 2 h e = 2h |f1| (1 - f- ) .......... (4).Where is the distance between the rear principal point H1 'of the front lens element L1 and the front focal point F2 of the rear lens element L2 is e (e> O), the distance e is represented by the following formula: e = f2 - | f1 | = | f1 | (f2 - 1) ......... (3) | ß | f The outer diameter is derived from formulas (2) and (3) of the front lens element L1 is represented by the formula: # 1 = 2h e = 2h | f1 | (1 - f-) .......... (4).

f2 f f2 2 In der Formel (4) ist h die Größe des scharf eingestellten Bildrahmens. Da die Bildrahmengröße h im Voraus festgelegt ist, ist der Faktor, der den äußeren Durchmesser 1 des vorderen Objektivgliedes bestimmt, jf11/f und f/2. Um den äußeren Durchmesser 1 des vorderen Objektivgliedes zu verringern, ist es deshalb erwünscht, daß If1l/f so klein wie möglich ist. Wie aus der Formel (2) ersichtlich ist, wird jedoch, wenn |f1|/f verringert wird, |ß| ISI im umgekehrten Verhältnis dazu vergrößert. Dies bedeutet, daß die ganze Länge D des Objektivlinsensystems lang wird. Deshalb ist es unmöglich lf11/f unendlich klein zu machen. f2 f f2 2 In the formula (4), h is the size of the in focus Picture frame. Since the picture frame size h is set in advance, the factor is which determines the outer diameter 1 of the front lens element, jf11 / f and f / 2. In order to reduce the outer diameter 1 of the front lens element, is therefore, it is desirable that If1l / f be as small as possible. As from the formula (2) can be seen, however, as | f1 | / f is decreased, | ß | ISI in reverse Ratio to it increased. This means that the whole length D of the objective lens system becomes long. Therefore it is impossible if lf11 / f is infinitely small close.

Da es eine Grenze für den äußeren Durchmesser gibt, wenn die ganze Länge so groß gemacht wird, wird es ferner unmöglich, eine ausreichende Menge an Randlicht zu erhalten, was nicht erwünscht ist.As there is a limit on the outer diameter when the whole Also, when length is made so large, it becomes impossible to use a sufficient amount of To get marginal light, which is not wanted.

Basierend auf dem obigen Grund ist es bevorzugt, daß die untere Grenze für 1f11/f 0,8 ist. Andererseits, um den äußeren Durchmesser nicht so groß zu machen, ist es bevorzugt,jf1I If nicht größer als 2,5 zu machen. Folglich ist die erste Bedingung zum Kleinhalten des äußeren Durchmessers 1 des vorderen Objektivgliedes 0,8 <f1/f # 2,5.Based on the above reason, it is preferable that the lower limit for 1f11 / f is 0.8. On the other hand, in order not to make the outer diameter so large, it is preferable to make jf1I If not larger than 2.5. Hence is the first Condition for keeping the outer diameter 1 of the front lens element small 0.8 <f1 / f # 2.5.

Weiterhin, um den äußeren Durchmesser 1 des vorderen Objektivgliedes so klein wie möglich zu machen, ist es erwünscht, f/f2 so groß wie möglich und entsprechend f2/f so klein wie möglich zu machen.Furthermore, around the outer diameter 1 of the front lens element To make f / f2 as small as possible, it is desirable to make f / f2 as large as possible and appropriately to make f2 / f as small as possible.

Aus der Formel (3) ergibt sich jedoch eine Bedingung 1<f2/f. Andererseits, um den äußeren Durchmesser 1 klein und die Gesamtlänge D des Objektivlinsensystems kurz zu halten, ist es erwünscht, f2/2 nicht größer als 1,5 zu machen, d.h. f2/f < 1,5. Deshalb gilt als zweite Bedingung zum Kleinhalten des äußeren Durchmessers 1 des vorderen Objektivgliedes 1cf2/f <= 1,5.However, a condition 1 <f2 / f results from the formula (3). On the other hand, around the outer diameter 1 small and the total length D of the objective lens system To keep it short, it is desirable to make f2 / 2 no greater than 1.5, i.e., f2 / f <1.5. Therefore, the second condition for keeping the outer diameter small applies 1 of the front lens element 1cf2 / f <= 1.5.

Jedoch, unter den Bedingungen der obigen zwei Formeln, wenn alle Flächen des optischen Systems sphärisch sind, ist die Objektivleistung sehr schlecht, da if (/f und f2/f klein Insbesondere wird die Verzeichnung und die Wölbung der Bildebene weniger korrigiert und das durch das Endoskop gesehene Bild ist schwer zu sehen, was die Diagnose durch das Endoskop beeinflußt und die geeignete Behandlung schwierig macht. Es wird als möglich erachtet, das vordere Linsensystem L1 und das hintere Linsensystem L2 in eine Mehrzahl von Gliedern aufzuteilen, um Abbildungsfehler zu korrigieren. Jedoch macht es den Objektivaufbau kompliziert und verstößt gegen die gewünschte Kompaktheit des Objektivlinsensystems.However, under the conditions of the above two formulas, if all areas of the optical system are spherical, the lens performance is very poor because if (/ f and f2 / f small In particular, the distortion and the Curvature of the image plane less corrected and the image seen through the endoscope is difficult to see what influences the diagnosis by the endoscope and the appropriate one Makes treatment difficult. It is considered possible to use the anterior lens system L1 and the rear lens system L2 are divided into a plurality of members in order to Correct imaging errors. However, it makes the lens structure complicated and violates the desired compactness of the objective lens system.

Im Hinblick auf das obige Problem wird in der Erfindung der äußere Durchmesser 1 des vorderen Objektivgliedes sehr verringert, wobei sein Aufbau vergleichsweise einfach ist und wobei die oben genannten Abbildungsfehler gut korrigiert sind, was schwierig war,durch asphärisches Ausbilden mindestens einer Fläche des hinteren Linsensystems L2.In view of the above problem, in the invention, the external Diameter 1 of the front lens element is greatly reduced, its structure being comparatively is simple and the above-mentioned aberrations are well corrected, what was difficult by making at least one surface of the posterior aspherical Lens system L2.

Nun wird die in der Erfindung verwendete asphärische Fläche im einzelnen beschrieben. Die Form der asphärischen Fläche wird z.B. durch die folgende Formel dargestellt: worin c: Krümmung von standard-sphärischer Fläche k: Parameter für zweite gekrümmte Fläche y: Höhe von der optischen Achse aus ai: asphärischer Flächenkoeffizient.The aspherical surface used in the invention will now be described in detail. The shape of the aspherical surface is represented by the following formula, for example: where c: curvature of standard spherical surface k: parameters for second curved surface y: height from the optical axis ai: aspherical surface coefficient.

In Fig. 1, die die erste Ausführungsform der Erfindung zeigt, hat R4 die auf der Formel (5) basierende asphärische Fläche, und die anderen Flächen R1-R3 und R5-R6 sind alle sphärisch.In Fig. 1, which shows the first embodiment of the invention, has R4 the aspherical surface based on the formula (5), and the other surfaces R1-R3 and R5-R6 are all spherical.

In der in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsform ist R7 die asphärische Fläche und die anderen Flächen R1-R6 und R8-Rg sind sphärisch.In the second embodiment shown in Fig. 2, R7 is the aspherical one Surface and the other surfaces R1-R6 and R8-Rg are spherical.

Vom Standpunkt der Korrektur des Abbildungsfehlers aus ist es in der vorleigenden Erfindung wünschenswert, daß der Parameter k im Bereich von 0,2 bis 0,85 liegt. In der ersten Ausführungsform ist der Parameter 0,6, d.h. k = 0,6.From the point of view of correcting the aberration, it is in the It is desirable for the present invention that the parameter k is in the range from 0.2 to 0.85. In the first embodiment the parameter is 0.6, i.e. k = 0.6.

Fig. 4A, 4B und 4C zeigen die Korrektur von Abbildungsfehlern, die durch das sphärische optische System, das die besagten zwei Bedingungen erfüllt, bewirkt werden, und Fig. 5A, SB und 5C zeigen die entsprechenden durch die erste Ausführungsform korrigierten Abbildungsfehler.4A, 4B and 4C show the correction of aberrations that by the spherical optical system that fulfills the two conditions mentioned above, and Figs. 5A, SB and 5C show the respective ones by the first Embodiment corrected aberrations.

Wenn man die beiden Abbildungsfehlerkurven miteinander vergleicht, ist es ersichtlich, daß die Bildebenenwölbung, der Abbildungsfehler der Verzeichnung oder Verzerrung und die sphärische Aberration, die in dem sphärischen optischen System schlecht korrigiert sind, in der Erfindung gut korrigiert sind. Die Verzeichnung wird aufgrund einer Formel von fe = h, worin f die Brennweite des ganzen Systems ist, e der Einfalls-Bildwinkel ist und h die Größe des Bildes ist, dargestellt.If you compare the two aberration curves, it can be seen that the image plane curvature, the aberration of the distortion or distortion and the spherical aberration present in the spherical optical system are badly corrected are corrected well in the invention. The distortion is based on a formula of fe = h, where f is the focal length of the entire system is, e is the angle of incidence and h is the size of the image.

In der oben beschriebenen Ausführungsform ist die asphärische Fläche im hinteren Linsensystem, sie kann jedoch im vorderen Linsensystem zum Erzielen der gleichen Ergebnisse sein.In the embodiment described above, the aspherical surface is in the posterior lens system, but it can be achieved in the anterior lens system be the same results.

Weiter ist der äußere Durchmesser 2 des hinteren Linsensystems L2 gewöhnlich kleiner als der äußere Durchmesser des vorderen Linsensystems L1 und wird entsprechend der Größe des scharf eingestellten Bildes des optiscben Systems ohne Rücksicht auf besagte If I/f oder f2/f bestimmt, wegen des optischen Systemaufbaus des telezentrischen optischen Systems.Further, the outer diameter 2 of the rear lens system is L2 usually smaller than the outer diameter of the front lens system L1 and becomes according to the size of the focused image of the optical system determined regardless of said If I / f or f2 / f, because of the optical system structure of the telecentric optical system.

Claims

Optical system for an endoscope P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Optical objective system for an endoscope of the retrofocus type, consisting of a front negative lens group and a rear positive lens group, the front an optical system for image transmission are arranged, d a -d u r c h g e k It is noted that at least one surface (R4; R7) of the optical system is aspherical and the following conditions are met: 0.8 <# f1 # / f # 2.5 and 1 <f2 / f # 1.5, where f is the focal length of the whole optical System, 1 is the focal length of the front lens group (L1), and f2 is that of the rear lens group (L2).

2. Optical lens system according to claim 1, characterized in that that a - aperture diaphragm (S) between the front lens group (L1) and the rear Lens group (L2) is arranged.