DE3220350C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Übertragungssystem für Endoskope mit mehreren Kittgliedern.

Die meisten abbildenden Linsensysteme besitzen grundsätzlich eine beträchtliche Bildfeldwölbung als grundlegende Eigenschaft. Es gibt aber bestimmte Anwendungsfälle, bei denen ein wölbungsfreies, d. h. ebenes Bildfeld notwendig ist. Beispielsweise sind zwei solche Anwendungsfälle fotografische Objektive und Endoskop-Übertragungsoptiken. Unglücklicherweise ist unter den Abbildungsfehlern die Bildfeldwölbung am schwersten zu korrigieren, da eine solche Korrektur die Kompliziertheit der abbildenden Linsensysteme in weit größerem Ausmaß vermehrt als die Korrekturen von sphärischen und chromatischen Abbildungsfehlern. Während optische Übertragungssysteme typischerweise nicht im gleichen Ausmaß eine Bildfeldwölbungskorrektur benötigen wie fotographische Objektive, sind Mehrfach-Übertragungssysteme, beispielsweise Relaissysteme für Endoskope, Feldlinsen und auch Relaislinsengruppen bedeutend schwerer zu korrigieren. Aus diesem Grund sind beträchtliche Anstrengungen unternommen worden, um abbildende Linsensysteme zu entwerfen, die sich durch ebene Bildfelder auszeichnen.

Nach Petzval hängt die Bildfeldwölbung mit der sogenannten Petzvalsumme P zusammen, die nach folgender Formel errechnet wird:

wobei
Φ_i die Brechkraft der i-ten Linsenfläche und
n_i die Brechzahl an der i-ten Brechfläche bezeichnen.

Insbesondere ist bei nicht vorhandenem Astigmatismus die Bildfeldwölbung = P. Das heißt, daß der Krümmungsradius des Bildfeldes einer Einzellinse mit Einheitsbrechkraft =-1/P =-n ist, wodurch ein stark gewölbtes Feld bezeichnet wird. Im Falle von aus mehreren Linsen bestehenden Objektiven neigt die Petzvalsumme stark dazu, positiv zu werden, da die Brechkraft des Objektivs positiv ist.

Es sind drei grundsätzliche Verfahren bekannt, um die Bildfeldwölbung zu korrigieren, d.h. die Petzvalsumme zu verringern nämlich Abstandsänderung, Durchbiegung und Differenzierung der Brechzahl. Jedes dieser Verfahren wurde als Meilenstein bei dem Entwurf von Objektiven mit flachem Bildfeld angekündigt und ist bis heute wichtig geblieben. Das erste Verfahren, d. h. die Abstandsänderung, wird durch das berühmte Cooke'sche Triplet dargestellt, das von H. Dennis Taylor entworfen wurde und in der US-PS 5 68 052 beschrieben ist. Dieses Verfahren beruht auf der einfachen Idee, daß ein Objektiv aus einer positiven und einer negativen Linse mit entgegengesetzt gleicher Brechkraft und gleicher Brechzahl eine Petzvalsumme P=0 besitzt, wobei die Gesamtbrechkraft des Objektivs durch den Abstand der Linsen bestimmt wird. Da noch weitere Abbildungsfehler notwendigerweise korrigiert werden müssen, ergibt sich tatsächlich ein Triplet-Aufbau.

Das zweite grundsätzliche Verfahren zur Korrektur der Bildfeldkrümmung wird beispielsweise durch das Hypergon dargestellt, das von Goerz entworfen und in der US-PS 7 06 650 beschrieben wurde. Bei diesem Verfahren wird die Durchbiegung der Linsen benutzt. In diesem Sinne besitzt eine nicht durchgebogene Linse entgegengesetzt gleich Krümmungen an beiden Seiten, während die durchgebogene Linse gleich große Krümmungen an beiden Flächen besitzt. Es ist zu bemerken, daß eine solche durchgebogene Linse mit gleichen Krümmungen an den entgegengesetzt liegenden Flächen mit Abstand voneinander angeordnete positive und negative Flächen gleicher Brechkraft mit gleicher Brechzahl darstellt, so daß die Petzvalsumme gleichzeitig mit der Gesamtbrechkraft verschwindet, die durch Trennung der beiden Linsenflächen erzeugt wird. Damit stellt sich die Durchbiegung als Spezialfall der Trennung für eine Einzellinse dar. Die Durchbiegung zur Korrektur der Bildfeldkrümmung ist auch die Grundlage des Doppel-Gauss-Objektivs, das weiterhin von außerordentlicher Bedeutung ist.

Das dritte grundsätzliche Verfahren zur Korrektur der Bildfeldkrümmung, die Brechzahldifferenzierung, wird auch als "neues Achromatprinzip" bezeichnet und benutzt Unterschiede der Brechzahlen der positiven und negativen Linsen. Dieses Prinzip wurde früher als sehr wichtig angesehen, es ergaben sich jedoch Probleme, die seiner nutzbaren Anwendung im Wege standen. Beispielsweise erfordert die Verwendung von Brechzahldifferenzierung zum Korrigieren der Petzvalsumme, daß die Linsen Brechzahlen besitzen, die in entgegengesetzter Richtung von dem Wert abweichen, der zur Korrektur sphärischer Abbildungsfehler nötig ist. Damit mußten durchgebogene und beabstandete Linsen verwendet werden, wenn versucht wurde, die Petzvalsumme unter Benutzung von Brechzahldifferenzierung zu korrigieren.

Man kann nun die Linsen so auswählen, daß die Petzvalsumme verschwindet und dann Durchbiegung, Abstandsänderung und Brechzahldifferenzierung dazu benutzen, die Gesamtbrechkraft zu erzeugen.

Die meisten Objektiv-Auslegungen beruhen auf einer Kombination der drei bekannten Verfahren. Ein System der Linsenklassifizierung mit großer Bedeutung kann auf Grundlage der relativen Einflüsse von Durchbiegung, Abstandsänderung und Brechzahldifferenzierung bei der Korrektur der Petzvalsumme (oder Erzeugung der Brechkraft) erstellt werden (SPIE, Band 237, International Length Design Conference 1980, Seiten 216 bis 221). So ist es, wie später näher beschrieben wird, möglich, die Petzvalsummenkorrektur in Beiträge zu zerlegen, die den genannten Verfahren entsprechen, und aus den relativen Größen der einzelnen Beiträge Informationen über die "Arbeitsweise" der Objektive hinsichtlich der Korrektur der Petzvalsumme zu erhalten.

Die Verwendung von Abstandsänderung und Durchbiegung bei der Schaffung eines abbildenden Linsensystems mit ebenem Bildfeld bringt jedoch gewisse Probleme mit sich. Wenn beispielsweise viele Linsen mit Abstand angeordnet werden müssen, wird das System sehr empfindlich für Kippfehler und Zentrierfehler der Linsen und erfordert demgemäß eine große Präzision bei der Montage der Linsen. Tatsächlich erweist sich die Abstandsänderung nur bei Linsengliedern mit relativ hoher Brechkraft als wirksam, wodurch wieder der Abstand besonders kritisch wird. Stark durchgebogene Linsen besitzen den Nachteil, daß sie sehr teuer in der Herstellung sind, da nur eine kleine Anzahl von Elementen auf die sphärischen Schleif- oder Polierblöcke während der Herstellung aufgesetzt werden können. Dementsprechend erwiesen sich bisher abbildende Linsensysteme mit ebenem Bildfeld als sehr teuer sowohl in der Herstellung der Elemente als auch bei der Montage.

Aus SPIE (a.a.O.) ist es bekannt, bei einem fotographischen Weitwinkelobjektiv die Petzvalsumme dadurch zu korrigieren, daß überwiegend das Prinzip der Brechzahldifferenzierung verwendet wird. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß Kipp- und Zentrierfehler bei Weitwinkelobjektiven eine wesentlich geringere Rolle spielen als bei optischen Übertragungssystemen für Endoskope, weil bei Endoskopen eine Vielzahl von Pupillenversetzern hintereinander angeordnet werden müssen, um die großen Übertragungslängen für das vom Objektiv entworfene Bild zu überbrücken.

Weiterhin sind aus "Scientific Papers of the Bureau of Standards No. 550, S. 241 und 242" und "J. Flügge, Leitfaden der geometrischen Optik und des Optikrechnens, 1956, S. 145-147" Neuachromate bekannt, die die gleichzeitige Achromatisierung und nahezu vollständige Korrektur der Petzval-Bildfeldkrümmung aufgrund unterschiedlicher Brechzahlen bei Kittgliedern, die aus zwei oder mehr Linsen bestehen können, ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Übertragungssystem für Endoskope zu schaffen, das hinsichtlich Kipp- und Zentrierfehlern unempfindlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 7 und 9 gelöst.

Die vorliegende Erfindung ergibt abbildende Linsensysteme mit ebenem Bildfeld, bei denen die Petzvalsumme im wesentlichen korrigiert wird, ohne daß beabstandet angeordnete Linsen mit hoher Brechkraft oder stark durchgebogene Linsen erforderlich sind. Das System eignet sich insbesondere für die Massenherstellung und erweist sich weitgehend unempfindlich gegen Kipp- und Zentrierfehler der Bestandteile.

Im breitesten Sinne werden diese Vorteile bei einem Linsensystem erreicht, bei dem die Korrektur der Petzvalsumme durch Verwendung von Brechzahldifferenzierung dominiert wird. Im physikalischen Sinne bedeutet das, daß die erfindungsgemäßen abbildenden Linsensysteme durch verkittete positive Gruppen mit geringen Krümmungen an den freiliegenden Linsenflächen charakterisiert sind. Eine Art, die Linsensysteme mathematisch zu charakterisieren, besteht darin, daß der Beitrag N durch Brechzahldifferenzierung die Gesamtkorrektur dominiert, wobei N auf folgende Weise definiert wird:

wobei
Φ_i die Brechkraft der i-ten Brechfläche,
n_i die Brechzahl der i-ten Brechfläche und
n_pos eine für die positiven Linsen oder die positive Linse repräsentative Brechzahl sind.

Andere Möglichkeiten, die Dominanz der Verwendung von Brechzahldifferenzierung auszudrücken, werden im einzelnen anhand der späteren Beschreibung diskutiert.

Ein weiterer Vorteil der dominierenden Verwendung der Brechzahldifferenzierung liegt darin, daß zusätzliche Freiheitsgrade geschaffen werden, um andere Abbildungsfehler korrigieren zu können.

Bei einer zur Verwendung in Relaisoptiken einsetzbaren Ausführung, bei denen mittlere oder hohe Apertur erforderlich ist, wird die sphärische Aberration am besten durch Verwendung einer asphärischen Linsenfläche und einem Material mit niedriger Brechzahl korrigiert. Gewisse Kunststoffe, wie z. B. Polykarbonat, Polystyrol und die Copolymere mit Methyl- Methacrylat besitzen eine ideale Kombination von niedriger Brechzahl und hoher Dispersion.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausbildungsvarianten der Erfindung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert; in diesen zeigen:

Fig. 1A bis 1F Schnittbilder bekannter abbildender Linsensysteme,

Fig. 2A bis 2B Schnittbilder eines Endoskop-Linsensystems bzw. einer Endoskop-Relaislinsenanordnung nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3A bis 3B Schnittbilder eines Endoskop-Linsensystems bzw. einer Endoskop-Relaislinsenanordnung nach einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4A bis 4B Schnittbilder eines Endoskop-Linsensystems bzw. einer Endoskop-Relaislinsenanordnung nach einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 5A bis 5B Schnittbilder eines Endoskop-Linsensystems bzw. einer Endoskop-Relaislinsenanordnung nach einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Abbildende Linsensysteme wurden bisher typischerweise entweder nach ihrem Entwicklungsdatum, ihrer Komplexheit oder ihrer Form klassifiziert, jedoch ergibt keine dieser Klassifizierungsarten eine größere Einsicht in die Wirkungsweise des jeweiligen Linsensystems.

Um eine geeignete Grundlage zur Klassifizierung von abbildenden Linsensystemen zu finden, ist es nützlich zu überlegen, was bei dem Entwurf eines Linsensystems zu erreichen versucht wird. In breitester Hinsicht besteht das Ziel darin, optische Brechkraft zu schaffen und die damit verbundenen Abbildungsfehler zu korrigieren. Falls die Kompliziertheit des Linsensystems als die Summe der Absolutwerte der Krümmungen der Linsen definiert wird, kann gezeigt werden, daß die größte Zunahme der Kompliziertheit von dem Versuch herrührt, die Bildfeldwölbung zu korrigieren.

Es wurde in der Vergangenheit erkannt, daß positive Brechkraft ohne Erhöhung der Bildfeldwölbung dadurch erzeugt werden kann, daß der Abstand der Linsensysteme erhöht, die Durchbiegung der Linsen vergrößert und die Brechzahldifferenzierung benutzt wird.

Die nachfolgenden Ausführungen erfolgen auf der Grundlage der Beiträge der einzelnen Linsensysteme zur Petzvalsummenkorrektur. Um die verrschiedenen Beiträge zu überprüfen, werden die Linsen des Linsensystems zunächst "entkrümmt" (d. h. von ihren Zusatzkrümmungen befreit), dann "zusammengebracht" (d. h. die Abstände beseitigt) und dann werden der Beitrag der Brechzahldifferenzierung und der Restwert der Petzvalsumme berechnet. Dies wird anschließend im einzelnen beschrieben.

Der erste Schritt bei der Auswertung der Beiträge besteht darin, alle Linsen zu "entkrümmen" und die Gesamtbrechkraft des Linsensystems neu zu berechnen (unter der Annahme, daß das Linsensystem im Ausgangszustand die Brechkraft 1 besitzt). Um jede Linse zu "entkrümmen", wird zur Krümmung jeder Linsenfläche ein und derselbe Krümmungsbetrag hinzugefügt oder abgezogen, so daß beide Flächen jeder Linse entgegengesetzt gleiche Krümmungen aufweisen. Der Krümmungsbeitrag zur Korrektur der Petzvalsumme ergibt sich dann durch den Negativwert der Brechkraftänderung geteilt durch die repräsentative Brechzahl n_pos. Vorzugsweise ist n_pos die über die Brechkraft gemittelte Brechzahl über alle Linsenflächen aller positiven Linsen (wobei, wenn notwendig, entkittet wurde). Wenn beispielsweise die Gesamtbrechkraft des Linsensystems vom "Krümmen" herrührte, wird die Brechkraftänderung die Größe -1 erreichen, und damit wird der von der Krümmung herrührende Beitrag bei Verwendung der Glassorte Schott SK 16 mit einer Brechzahl von 1,62 die Größe 1/1,62=0,62 erhalten.

Der zweite Schritt bei der Auswertung der Beiträge besteht darin, die Lufträume und die Linsen "kollabieren" zu lassen, indem man alle sphärischen Flächen an einen einzigen Ort bringt und dann die Gesamtbrechkraft des Linsensystems neu berechnet. Das bedeutet soviel wie die Auswertung der algebraischen Summe aller Flächen-Brechkräfte unabhängig von ihrer Stellung. Die von den Abständen stammenden Beiträge zur Petzvalsummenkorrektur ergeben sich dann durch den negativen Wert der Brechkraftänderungen, geteilt durch n_pos.

Der nächste Schritt besteht darin, direkt den Beitrag der Brechzahl auszuwerten. Das geschieht nach der folgenden Formel:

Die Rest-Petzvalsumme ergibt sich dann als

Wenn man so die verschiedenen Beiträge ausgewertet hat, kann die "innere Arbeitsweise" des Linsensystems hinsichtlich der Korrektur der Petzvalsumme verstanden werden. Einige konkrete Beispiele sind in den Fig. 1A bis 1F dargestellt, wobei die geometrischen und optischen Parameter in den zugehörigen Anhängen 1A bis 1F tabelliert sind.

In der nachfolgenden Tabelle 1 wird der Durchbiegungsbeitrag B, der Abstandsbeitrag S und der Brechzahl-Differenzierungsbeitrag N, die Rest-Petzvalsumme P und die Werte 1/n_pos bei den verschiedenen in den Fig. 1A bis F dargestellten Objektiven zusammengefaßt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Werte in den Anhängen 1A bis 1F auf Grundlage von Linsensystemen errechnet sind, die auf die Brechkraft=1 normiert sind.

Tabelle 1

Das Hypergon nach Fig. 1A stellt einen nahezu reinen Fall von Petzvalsummenkorrektur mittels Durchbiegung dar. Gleicherweise wird, auch das Topogon nach Fig. 1B von Durchbiegung dominiert, wobei sich eine gewisse Korrektur auch durch Abstandsänderung ergibt, die dann durch einen negativen Beitrag durch Brechzahldifferenzierung ausgeglichen wird. Das Nikon-Objektiv vom Typ umgekehrter Teleobjektive nach Fig. 1C beruht auf einer Korrektur der Petzvalsumme in erster Linie mittels der Abstandsänderung. Das Sonar nach Fig. 1D wird durch eine ziemlich große Restsumme P gekennzeichnet, jedoch stammt der dominierende Beitrag für die Gesamtkorrektur aus Abstandsänderung. Das moderne Doppel-Gauss-Objektiv nach Fig. 1E benutzt alle drei Verfahren, um die Petzvalsumme zu korrigieren, während das Pentac nach Fig. 1F im wesentlichen die Korrektur zwischen Abstandsänderung und Brechzahldifferenzierung aufteilt.

Die Ausführungsbeispiele, die nachfolgend anhand der Fig. 2A-5B beschrieben werden, zeigen vier Ausführungen eines optischen Übertragungssystems, wie es beispielsweise in einem Endoskop oder dergl. eingesetzt werden kann. Das Übertragungssystem wird anhand von Übertragungsmoduln beschrieben, mit denen die Abschnitte zwischen aufeinanderfolgenden Bildebenen oder Pupillenebenen gemeint sind, oder aber bei den nachfolgenden symmetrischen Ausführungen anhand von Halbmoduln, d. h. Abschnitten zwischen einer Bildebene und einer Pupillenebene. Es ist jedoch auch anzumerken, daß man jeweils die zwei benachbarten ¼-Moduln zu beiden Seiten einer Bildebene oder einer Pupillenebene (d. h. die mittlere Hälfte des ganzen Moduls) als ein Feldlinsensystem oder ein Übergabelinsensystem ansehen kann, für das die Brechkraft definiert, ist.

Fig. 2A zeigt ein Schnittbild einer ersten Ausführung eines Endoskop-Linsensystems. Das System enthält ein Objektiv 10, das ein Bild auf eine erste Ebene 12 entwirft, ein Übertragungssystem 15, das das Bild in der Ebene 12 zu einer zweiten Bildebene 17 überträgt und ein Okular 18 zum Betrachten des übertragenen Bildes. Das Objektiv 10, das Übertragungssystem 15 und das Okular 18 sind in einem Rohr mit relativ geringem Durchmesser angeordnet, das typischerweise durch ein ringförmiges Bündel von Faseroptik umgeben wird. Im Gebrauch wird das Endoskop in einen Körperhohlraum oder dergl. eingeführt, damit ein Arzt die inneren Körperbereiche betrachten kann. Das Objektiv 10 ergibt ein Abbild des zu betrachtenden Bereiches an der ersten Bildebene 12 und dieses Abbild wird durch das Übertragungssystem 15 zur zweiten Bildebene 17 in der Nähe des Okulars 18 übertragen, durch das der untersuchende Arzt blickt.

Bei einer ersten Ausführung besteht das Übertragungssystem 15 aus einer Vielzahl von miteinander verkitteten Triplet- Anordnungen 20 (Triplet = Dreilinsen-System), wobei jede Anordnung eine Ausführung der vorliegenden Erfindung bildet. Es ist klar, daß die Triplets 20 sich durch ein gut korrigiertes Bildfeld auszeichnen sollten, damit das in der Ebene 12 vorhandene Abbild richtig zu dem Okular 18 übertragen wird. Die Triplets 20 sind jeweils paarweise angeordnet, wobei jedes Paar einen Übertragungsmodul ergibt.

Fig. 2B zeigt das optische Schema eines Triplets 20 mit den konstruktiven Einzelheiten. Bei der bevorzugten Ausführung sind alle Triplets 20 identisch und symmetrisch. Das Triplet 20 enthält eine erste und eine zweite negative Linse 21 bzw. 22, und diese sind durch eine zentrale positive Linse 23 großer Länge getrennt. Die geometrischen Eigenschaften des Triplets 20 werden durch eine Eintrittspupillenebene 20a, eine Vorderfläche 20b, eine erste Kittfläche 20c, eine zweite Kittfläche 20d, eine Rückfläche 20e und eine Bildebene 20f definiert. Eine Aperturfläche ist in der Ebene 20f vorgesehen, um das Bildfeld zu definieren und Reflexionen von der optischen Hülse des Endoskops zu vermeiden. Der richtige Abstand der Triplets 20 und die Definition der Eintrittspupille und des Bildfeldes werden üblicherweise durch (nicht dargestellte) Abstandsringe erzeugt, die vor dem Einführen der Linsen in die Hülse aufgekittet werden können. Die geometrischen und optischen Parameter für eine spezifische Ausführung des Triplets 20 sind im Anhang 2 gegeben. Dabei werden die folgenden Bezeichnungen beibehalten. Der Radius einer bestimmten Linsenfläche 20i erhält die Bezeichnung r_i; der Abstand zwischen zwei benachbarten Linsenflächen 20j und 20k wird mit 20 _j und 20 _k bezeichnet, die Brechzahl und die Abbe'sche Zahl des Linsenmaterials zwischen den Linsenflächen 10j und 10k wird mit n_k und ν_k bezeichnet, und der Durchmesser einer Blende in der Ebene 20i wird mit d_i bezeichnet. Die Abmessungen sind so normiert, daß ein vollständiger Übertragungsmodul eine Länge von vier Einheiten besitzt, die seiner Brennweite entsprechen. Die vordere Linsenfläche 20b und die hintere Linsenfläche 20e sind asphärisch. Asphärische Koeffizienten sind AD, AE, AF und AG. Diese Koeffizienten bestimmen eine Linsenfläche mit einem Grundradius R und einer Tangente an die X/Y-Ebene am Ursprung mit folgender Gleichung:

Z = R - √ + AD p⁴ + AE p⁶ + AF p⁸ + AG p¹⁰

wobei p² = x² + y².

Das allgemeine Verfahren zur Auslegung der Tripletanordnung 20 kann folgendermaßen beschrieben werden: Zunächst werden unter Beachtung der allgemeinen Auslegung zwei gebräuchliche Brechzahlwerte aus einer Auswahl von erhältlichen Materialien festgelegt. Beispielsweise werden die Linsen 21 und 22 aus Polystyrol hergestellt, das sich durch eine hohe Dispersion und eine niedrige Brechzahl auszeichnet und leicht durch Spritzguß geformt werden kann. Die zentrale Linse 23 wird aus einem Kronglas mit niedriger Dispersion und hoher Brechzahl hergestellt. Die zentrale Linse 23 verleiht der verkitteten Anordnung Festigkeit.

Wenn nun die Brechzahlen bestimmt sind, werden unter der weiteren Voraussetzung, daß die Anordnung symmetrisch sein soll, die Brechkräfte der Einzellinsen so bestimmt, daß die Petzvalsumme verschwindet und gleichzeitig eine bestimmte Gesamtbrechkraft erreicht wird. Zu diesem Zeitpunkt können die Dispersionen der Materialien so ausgewählt werden, daß chromatische Abbildungsfehler korrigiert werden. Sphärische Aberration, Koma und Astigmatismus werden noch nicht korrigiert. Wenn man beachtet, daß eine asphärische Fläche an den Außenlinsen 21 und 22 die sphärische Aberration korrigiert, so ist darauf hinzuweisen, daß mit Spritzgußverfahren die Herstellung von asphärischen Linsenflächen nicht schieriger ist als die von sphärischen Linsenflächen. Dann wird der Blendenort ausgewählt, um Astigmatismus zu korrigieren, während Koma und Verzeichnung dadurch korrigiert werden, daß eine symmetrische Auslegung benutzt wird mit zwei identischen, axial ausgerichteten Anordnungen. Dabei ist zu bemerken, daß diese Ausführung einen Restastigmatismus besitzt, der zum Ausgleich von Astigmatismus entweder im Objektiv oder im Okular benutzt werden kann.

Der Vorteil der Auslegung der Anordnung 20 ist nun ersichtlich. Erstens sind, obwohl hier der Übertragungsmodul sechs Linsen umfaßt, nur zwei unterschiedliche Linsenarten vorhanden, nämlich die aus Kunststoff bestehenden Endlinsen und die zentrale Glaslinse. Ferner können, wie bereits beschrieben, die aus Kunststoff bestehenden Endlinsen durch Spritzguß hergestellt werden. Stark gekrümmte Linsenflächen, wie sie für stark durchgebogene Elemente charakteristisch sind, werden vermieden, und die Montage des Gesamtsystems ist einfach.

Fig. 3A zeigt nun ein Schnittbild einer zweiten Ausführung eines Endoskopsystems, das sich durch sein Übertragungssystem 15′ von dem System nach Fig. 2A unterscheidet. Ansonsten sind das Objektiv, das Okular, die erste und die zweite Bildebene mit den gleichen Bezugszeichen 10, 18, 12 bzw. 17 bezeichnet. In dieser zweiten Ausführung besteht das Übertragungssystem 15′ aus einer Vielzahl von verkitteten Zweilinsen-Anordnungen 30 (Dublett-Systemen), die jeweils in Vierergruppen angeordnet sind, wobei jede Vierergruppe einen Übertragungsmodul bildet.

Fig. 3B zeigt ein Schnittbild eines Dublett-Paares, das einen halben Übertragungsmodul ergibt. Das Paar enthält eine erste positive Linse 31, eine erste, damit verkittete negative Linse 32, eine zweite negative Linse 33 mit Abstand von der ersten negativen Linse 32 und eine zweite, mit der Linse 33 verkittete positive Linse 34. Die negativen Elemente 31 und 33 sind, ebenso wie die positiven Elemente 32 und 34 vorzugsweise zueinander identisch ausgeführt. Die geometrischen Charakteristiken werden durch eine Eintrittspupillenebene 30a, eine Vorderfläche 30b, eine erste Kittfläche 30c, eine erste Innenfläche 30d, eine zweite Innenfläche 30e, eine zweite Kittfläche 30f, eine Rückfläche 30g und eine Bildebene 30h definiert. Der richtige Abstand der Dublettanordnungen 30 und die Definition der Eintrittspupille und des Bildfeldes ergeben sich üblicherweise durch (nicht dargestellte) zylindrische Abstandsstücke. Die geometrischen und optischen Parameter bei einer bestimmten Ausführung der Dubletts 30 sind in Anhang 3 festgelegt. Wie bereits festgestellt, sind alle Dubletts 30 vorzugsweise identisch ausgeführt, jedoch abwechselnd einander zugekehrt. Es werden die gleichen Bezeichnungen wie bei Anhang 2 benutzt. Die erste und die zweite innere Fläche 30d bzw. 30e besitzen eine asphärische Komponente, die durch die asphärischen Koeffizienten AD, AE, AF und AG jeweils definiert ist.

Die Entwurfsüberlegungen für die Dublett-Anordnungen 30 sind allgemein ähnlich denen, die für die Tripletanordnungen 20 beschrieben werden. Das Übertragungssystem 15′ zeichnet sich durch eine im wesentlichen vollständige Eliminierung des Astigmatismus aus, wie sie bei bestimmten Anwendungen Vorteile erbringen kann. Wie das Übertragungssystem 15 erfordert auch das Übertragungssystem 15′ nur zwei verschiedene Linsen.

Fig. 4A zeigt ein Optikschema einer dritten Ausführung eines Endoskopsystems mit einem weiteren unterschiedlichen Übertragungssystem 15′′. Das Übertragungssystem 15′′ ist ähnlich aufgebaut wie das Übertragungssystem 15′ und kann aufgefaßt werden als der Grenzfall, bei dem die den Flächen 30b und 30h entsprechenden Flächen Ebenen sind und der Abstand zwischen den Flächen 30g und 30h gleich 0 ist, so daß benachbarte Dublett-Paare zu Triplets werden. Damit besteht das Übertragungssystem 15′′ aus einer Vielzahl von verkitteten Triplet-Anordnungen 40, wobei jedes Ende von einem halben Triplet (ein Duplett) 40′ gebildet wird. Ein vollständiges Übertragungsmodul bei dem Übertragungssystem 15′′ besteht also aus einem Halbtriplet (oder Dublett), einem Triplet und einem zweiten Halbtriplet (oder Dublett).

Ein Optikschema der Abschnitte zwischen aufeinanderfolgenden Mittenebenen von Triplets 40 ist in Fig. 4B dargestellt, die also einem halben Übertragungsmodul entspricht. Es kann dabei gesehen werden, daß jedes der gezeigten Halb- Triplets eines der Dubletts 40′ sein kann. Jedes Triplet besteht aus einer ersten negativen Linse 41, einer zentralen positiven Linse 42 und einer zweiten negativen Linse 43. Zur Aufrechterhaltung der Nomenklatur werden die Linsenflächen der Reihe nach von einer Mittenebene zur nächsten benannt. Das System wird durch eine Mittenebene 40a innerhalb des ersten Triplets, eine Kittfläche 40b im ersten Triplet, eine freiliegende Linsenfläche 40c an dem ersten Triplet, eine freiliegende Oberfläche 40d an dem zweiten Triplet, eine Kittfläche 40e in dem zweiten Triplet und eine Mittenebene 40f im zweiten Triplet charakterisiert. Der richtige Abstand der Linsensysteme 40 und 40′ wird üblicherweise durch (nicht dargestellte) zylindrische Abstandsstücke eingehalten. Die Aperturblende und die Bildfeldblende sind in den jeweiligen Mittenebenen vorgesehen. Die geometrischen und optischen Parameter einer bestimmten Ausführung sind in Anhang 4 gegeben. Die freiliegenden Linsenflächen der negativen Linsen 41 und 43 (die Linsenflächen 40c bzw. 40d) werden durch einen Grundradius und asphärische Koeffizienten AD, AE, AF und AG jeweils bestimmt.

Es ist zu bemerken, daß, obwohl das Übertragungssystem 15′′ weniger Bestandteile besitzt als das Übertragungssystem 15′, es drei unterschiedliche Linsen aufweist, nämlich die aus Kunststoff bestehende Endlinse, die aus Glas bestehende Zentrallinse für das Triplet und die aus Glas bestehende Linse für das Dublett. Dabei kann das Übertragungssystem 15′′ auch nur mit Benutzung von Triplets hergestellt werden, wenn nur bei der Auslegung des Okulars und des Objektivs darauf geachtet wird, daß effektiv zusätzliche Halbtriplets an der Vorder- und Rückseite des gesamten Systems berücksichtigt werden müssen.

Fig. 5A zeigt ein Optikschema einer vierten Ausführung eines Endoskopsystems mit wieder einem anderen Übertragungssystem 15′′′. Das Übertragungssystem 15′′′ ist insoweit dem Übertragungssystem 15′ ähnlich, daß ein Übertragungsmodul vier verkittete Dublett-Anordnungen 50 enthält, unterscheidet sich jedoch insoweit von diesem, daß der große Luftraum innerhalb jedes Halbmoduls nun durch einen Glaszylinder 55 ersetzt ist. Dadurch, daß ein Zylinder in diesen Luftraum eingesetzt ist, ergibt sich eine größere Informationsübertragung. Es sei als Randbemerkung angefügt, daß eine gleichartige Abwandlung mit in geeigneter Weise abgewandelten Triplets entsprechend den Triplets 40 des Übertragungssystems 15′′ nach Fig. 4A und 4B ausgeführt werden kann.

Fig. 5B zeigt ein Schnittbild eines halben Übertragungsmoduls bestehend aus zwei symmetrisch angeordneten Dubletten 50 mit dazwischenliegendem Zylinder 55. Jedes Dublett 50 enthält eine positive Linse 51 und eine negative Linse 52, und das Halbmodul wird gekennzeichnet durch eine Eintrittspupillenebene 50a, eine Vorderfläche 50b eine erste Kittfläche 50c, eine erste innere Fläche 50d, eine erste und eine zweite Zylinderfläche 50e bzw. 50f, eine zweite Innenfläche 50g, eine zweite Kittfläche 50h, eine Rückfläche 50i und eine Bildebene 50j. Die geometrischen und optischen Parameter einer besonderen Ausführung von Dubletten 50 und Zylinder 55 sind in Anhang 5 gegeben. Es ist zu bemerken, daß die erste bzw. zweite Innenfläche 50d bzw. 50g durch einen Grundradius und asphärische Koeffizienten AD, AE, AF und AG jeweils gegeben sind.

In der folgenden Tabelle 2 sind in Tabellenform die Korrekturbeiträge B, S und N für die Petzvalsumme, die Rest-Petzvalsumme P und der Wert 1/n_pos für die Endoskop-Übertragungssysteme nach Fig. 2B, 3B, 4B und 5B zusammengefaßt. Alle Werte sind auf Einheitsbrechkraft normalisiert. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei jedem Übertragungssystem die Werte und die Brechkraft für die Mittelhälfte eines Übertragungsmoduls zutreffen.

Tabelle 2

Damit werden die Grundzüge der vorliegenden Erfindung erkennbar. Am meisten fällt ins Auge, daß der Beitrag N durch Brechzahldifferenzierung den Gesamtbeitrag B+S+N der Petzval-Summenkorrektur dominiert, und zwar liegt er im Bereich von 90% bis 130% dieses Gesamtbeitrages. Das Pentac-Linsensystem (Fig. 1F) ist ein extremes Beispiel nach dem Stand der Technik für großen Brechzahl-Beitrag, jedoch beträgt der Anteil weniger als 60%. Ein Beitragsanteil von etwa 2/3 bis 3/4 ist die Untergrenze des Brechzahl-Beitrags bei den erfindungsgemäßen Linsensystemen. Es ist auch zu bemerken, daß die fotografischen Objektive sehr gut korrigiert, tatsächlich sogar ein wenig überkorrigiert sind. Zwar erscheinen auf den ersten Blick die Restwerte P der Petzvalsummen bei den Übertragungssystemen etwas groß, jedoch müssen dabei verschiedene Punkte berücksichtigt werden. Zunächst sind diese Werte dennoch im allgemeinen niedriger als bei anderen bekannten Übertragungssystemen. Zweitens ist das Objekt bei endoskopischen Untersuchungen typischerweise gekrümmt, und deswegen kann eine gewisse Bildkrümmung zum Ausgleich dieser Objektkrümmung vorzugsweise benutzt werden. Drittens erlaubt diese Entwurfsart ohne Schwierigkeit jede beliebige Reduzierung der Petzvalsumme, jedoch macht eine größere Reduzierung stärkere Innenkrümmungen der Linsen erforderlich. Die angegebenen Beispiele repräsentieren einen Kompromiß, der relativ sanfte Krümmungen ergibt und damit leicht herzustellen ist.

Zusammengefaßt kann gesagt werden, daß durch die vorliegende Erfindung ein Linsensystem mit vergleichsweise flachem Bildfeld geschaffen wird, das die Notwendigkeit umgeht, Kittglieder mit Abstand voneinander und stark gekrümmten Linsen anzuwenden, und das in hohem Grade unempfindlich gegen Kippungs- und Zentrierfehler der Bestandteile ist. Die erfindungsgemäßen Linsensysteme können in unterschiedlicher Weise zur Verwendung bei vielen Anwendungsfällen ausgelegt werden.

Auf bestimmte mögliche Abweichungen von den dargestellten Beispielen soll noch hingewiesen werden. So können beispielsweise statt der ausgezeichnet in bezug auf Bildfeldwölbung korrigierten fotografischen Objektive (die Restpetzvalsumme P ist ja sehr klein) auch erfindungsgemäß Objektive mit nicht ganz ausgeglichener Petzvalsumme geschaffen werden, wenn nur der Beitrag der Brechzahldifferenzierung die Gesamtkorrektur dominiert. Die vorliegende Erfindung wird also so angesehen, daß die Brechzahldifferenzierung bei der Petzvalsummenkorrektur dominiert. Dabei können die Einzelbeiträge auch in anderer als der gezeigten Weise berechnet werden, solange feststeht, daß sich dadurch nur geringfügige Änderungen der in Rede stehenden Beiträge zur Petzvalsummenkorrektur ergeben. Beispielsweise kann der Durchbiegungsbeitrag so berechnet werden, daß Krümmungen zu den Krümmungen der beiden Linsenflächen einer Linse so lange hinzugefügt werden, bis eine der Linsenflächen sich als eben ergibt, anstatt die Hinzufügung so vorzunehmen, daß sich eine symmetrische Ausbildung ergibt.

Anhang 1A

Goerz Hypergon

Brennweite: f=1.0000; Öffnungsverhältnis: 1 : 32

Hintere Schnittweite: BFL=0,8986; Bildfeldwinkel: 2×65°

Anhang 1B

Richter Topogon

Brennweite: f=1.0000; Öffnungsverhältnis: 1 : 6,3

Hintere Schnittweite: BFL=0,7860; Bildfeldwinkel: 2×50°

Anhang 1C

Nikon (35 mm) (Objektiv vom Typ umgekehrter Teleobjektive)

Brennweite: f=1.0000; Öffnungsverhältnis: 1 : 2,8

Hintere Schnittweite: BFL=1,0844; Bildfeldwinkel: 2×31°

Anhang 1D

Sonnar

Brennweite: f=1.0000; Öffnungsverhältnis: 1 : 1,9

Hintere Schnittweite: BFL=0,5793; Bildfeldwinkel: 2×13°

Anhang 1E

Zeiss Doppel-Gauss (50 mm)

Brennweite: f=1.0000; Öffnungsverhältnis: 1 : 1,4

Hintere Schnittweite: BFL=0,7098; Bildfeldwinkel: 2×23½°

Anhang 1F

Pentac

Brennweite: f=1.0000; Öffnungsverhältnis: 1 : 5,6

Hintere Schnittweite: BFL=0,8594; Bildfeldwinkel: 2×15°

Anhang 2

Anhang 3

Anhang 4

Anhang 5

Claims (10)

1. Optisches Übertragungssystem für Endoskope mit mehreren Kittgliedern (20, 40)

• - mit einer zentralen positiven Linse (23, 42) aus einem ersten Material mit einer relativ hohen Brechzahl,
• - mit einer ersten und einer zweiten negativen Linse (21, 22, 41, 43) aus einem zweiten Material mit relativ niedriger Brechzahl, welche durch die positive Linse (23, 42) axial auf Abstand gehalten und mit dieser verkittet sind,
• - wobei die Abbezahlen des ersten und zweiten Materials so gewählt sind, daß die chromatische Aberration im wesentlichen korrigiert ist,
• - wobei jede negative Linse (21, 22, 41, 43) mindestens eine asphärische Fläche (20b, 20e; 40c, 40d) zur Korrektur der sphärischen Aberration aufweist, und
• - wobei die Brechzahlen der beiden Materialien so gewählt sind, daß der auf unterschiedlichen Brechzahlen beruhende Beitrag N zur Petzvalsummenkorrektur mindestens ²/₃ der Summe der auf Durchbiegung, Abstand und Brechzahlunterschied beruhenden Beiträge beträgt.

2. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein aus zwei als Paar angeordneten Kittgliedern (20) bestehendes Übertragungsmodul zur Übertragung eines Bildes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildebenen vorgesehen ist, welches eine Länge vom vierfachen seiner Brennweite aufweist.

3. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 2, bei dem das Übertragungsmodul aus einem symmetrisch angeordneten Paar zusammengesetzter Kittglieder (20) besteht.

4. Optisches Übertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Material für die zentrale positive Linse (23) Glas und das Material für die negativen Linsen (21, 22) Kunststoff ist und bei dem die beiden negativen Linsen (21, 22) gieß-, spritz- oder anderweitig geformt sind.

5. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 4, dessen Kittglieder (20) jeweils folgende Konstruktionsdaten aufweisen:

6. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 1, dessen Halbmodule folgende Konstruktionsdaten aufweisen:

7. Optisches Übertragungssystem für Endoskope, welches mindestens ein aus jeweils vier Kittgliedern (30) bestehendes Übertragungsmodul zur Übertragung eines Bildes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildebenen aufweist

• - mit einer positiven Linse (31; 34) aus einem ersten Material mit einer relativ hohen Brechzahl und
• - mit einer negativen Linse (32; 33) aus einem zweiten Material mit einer relativ niedrigen Brechzahl,
• - die mit der positiven Linse (31; 34) verkittet ist,
• - wobei die Abbezahlen des ersten und des zweiten Materials so gewählt sind, daß die chromatische Aberration im wesentlichen korrigiert ist,
• - wobei die negative Linse (32; 33) mindestens eine asphärische Fläche (30d, 30e) zur Korrektur der sphärischen Aberration aufweist,
• - wobei die Brechzahlen der beiden Materialien so gewählt sind; daß der auf unterschiedlichen Brechzahlen beruhende Beitrag N zur Petzvalsummenkorrektur mindestens ²/₃ der Summe der auf Durchbiegung, Abstandsänderung und Brechzahlunterschied beruhenden Beiträge beträgt,
• - wobei jeweils zwei Kittglieder (30) eines Übertragungsmoduls abwechselnd einander zugekehrt als Paar angeordnet sind, dessen Vorder- und Rückfläche (30b, 30g) benachbart zur Pupillen- bzw. Bildebene (30a bzw. 30h) liegen, so daß die Pupillenebene (30a) zwischen den beiden Kittglied-Paaren eines Übertragungsmoduls liegt.

8. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 7 mit Kittgliedern (30), deren Konstruktionsdaten jeweils die folgenden Werte aufweisen:

9. Optisches Übertragungssystem für Endoskope mit mindestens einem Übertragungsmodul zum Übertragen eines Bildes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildebenen, mit vier im wesentlichen identischen Kittgliedern (50), von denen jedes

• - eine positive Linse (51) aus einem ersten Material mit einer relativ hohen Brechzahl und eine negative Linse (52) aus einem zweiten Material mit einer relativ niedrigen Brechzahl, die mit der positiven Linse (51) verkittet ist, aufweist, wobei wenigstens eine der beiden Linsen (51, 52) eine asphärische Fläche zur Korrektur der sphärischen Aberration umfaßt,
• - wobei zwischen zwei jeweils ein Halbmodul bildenden Kittgliedern (50) ein Glaszylinder (55) angeordnet ist, der aus einem dritten Material besteht und ebene Endflächen (50e, 50f) aufweist,
• - wobei die Abbezahlen des ersten, zweiten und dritten Materials so gewählt sind, daß die chromatische Aberration im wesentlichen korrigiert ist,
• - wobei die Brechzahlen der beiden Materialien in Bezug auf die Radien so gewählt sind, daß der auf unterschiedlichen Brechzahlen beruhende Beitrag N zur Petzvalsummenkorrektur mindestens ²/₃ der Summe der aus Durchbiegung, Abstandsänderung und Brechzahlunterschied beruhenden Beiträge beträgt.

10. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 9 mit mindestens einem Übertragungsmodul, bei dem die Konstruktionsdaten eines Halbmoduls im wesentlichen die folgenden Werte aufweisen: