DE3421269A1 - Fotografisches objektiv fuer endoskope zur anordnung hinter einem okular fuer die durchfuehrung fotografischer aufnahmen - Google Patents

Description

PATENTANWALT Dipl.-Phys. RICHARD LUYKEN

OlympuH Optical Co., LTD. oot 7908

Hatagaya 2-43-2, Shibuya-ku 07.06.1984

Tokio / JAPAN ,_χ

Beschreibung

Fotografisches Objektiv für Endoskope zur Anordnung hinter einem Okular für die Durchführung fotografischer

Aufnahmen

In einem optischen System für Endoskope, bei dem die Bildübertragung durch Verwendung eines aus einfachen konvexen Linsengliedern bestehenden Relaislinsensystems erfolgt, besteht in größerem Maße die Gefahr, daß die Bildfeldkrümmung verschlechtert wird, als es bei optischen Systemen für Endoskope der Fall ist, bei denen die Bildübertragung durch eLn optisches Faserbündel erfolgt. Zusätzlich wird die Bildfeldkrümmung weiter auch durch die positiven Kittglieder beeinträchtigt, die verhältnismäßig einfachen Aufbau besitzen und in dem Okular angeordnet sind, um das übertragene Bild zu betrachten, während ein fotografisches Objektiv, das hinter dem Okular angeordnet ist, zur Durchführung fotografischer Aufnahmen dient.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig, 1 ein Schnittbild, das den Aufbau eines üblichen Okulars und fotografischen Objektivs für Endoskope voranachaulicht;

34

21263

Fig.2 bis 4 Schnittbilder von erfindungsgemäßen fotografischen Objektiven 1 bis 3 für Endoskope in Verbindung mit Okularen;

Fig.5 die Korrekturkurven des Objektivs 1;

Fig.6 die Korrekturkurven des Objektivs 1 in Ver bindung mit einem Okular;

Fig. 7 die Korrekturkurven des Objektivs 2;

Fig. 8 die Korrekturkurven des Objektivs 3;

Fig. 9 die Korrekturkurven eines Okulars 1 mit einem üblichen fotografischen Objektiv für Endoskope;

Fig. 10 die Korrekturkurven eines Okulars 2;

Fig. 11 die Astigmatismuscharakteristik von Objektiv 1, Okular 1 und einem Linsensystem als eine Kombination des Objektivs 1 bzw. Okular 1;

Fig. 12 Korrekturkurven eines üblichen fotografischen Objektivs für Endoskope mit Okular 1 und einem Linsensystem als eine Kombination eines üblichen fotografischen Objektivs für Endoskope und.des Okulars 1.

In Fig. 1 ist ein Okular E und ein fotografisches Objektiv AD für Endoskope schematisch dargestellt. Die negative BildfeldkrUmmung, die durch das Relaislinsensystem verursacht wird, kann durch Verwendung eines Objektivs mit positiver BildfeldkrUmmung ausgeglichen werden, obwohl Objektive, die die Funktion haben, die vom Relaislinse isystem herrührende Bildfeldkrümmungskomponente

- ίο -

zu unterdrucken, bereits bekannt sind, 1st ein Okular mit dieser Funktion bisher nicht bekannt geworden. Wenn ein Bild mit einem in der erwähnten Weise angeordneten fotografischen Objektiv fotografiert;wird, wird die Bildfeldkrümmung durch Okular und fotografisches Objektiv verstärkt, wodurch es unmöglich ist, ein gutes Bild zu erhalten.

■j

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein fotografisches Objektiv für Endoskope anzugeben, das eine flache Bildschale liefert, wenn es in Verbindung mit einem Okular verwendet wird.

Dies wird erreicht durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale.

Das erfindungsgemäße fotografische Objektiv für Endoskope hat den in Fig.2 gezeigten Aufbau und enthält drei.

.negatives Linsenglieder einschließlich zumindest ein| Linsenglied, beispielsweise ein positives Linsenglied L., ein negatives Linsenglied L₂ und ein positives Linsenglied L„. Das erfindungsgemäße Objektiv ist zur Verwendung in einer Stellung hinter einem Okular E wie in Fig.2 gezeigt vorgesehen, wobei weiter ein Deckglas C und ein Prisma P in den Strahlengang zur Filmoberfläche F eingeschaltet sind.

Das erfindungsgemäße Objektiv ist so ausgebildet, daß es den folgenden Bedingungen genügt:

(D 0,9 * Ir₁Zr₂I * ι,2

(2) 0,2 * If_nZfI « 0,3

darin bezeichnen

R₁ den Krümmungsradius des negativen Linsengliedes

L₂ an der Seite zum Linsenglied L,;
R₂ den Krümmungsradius des negativen Linsengliedes

L₀ an der Seite zum Linsenglied L„;
f die Brennweite des negativen Linsenglieds L_?;
f die Brennweite des fotografischen Objektivs.

Die Einhaltung der obengenannten Bedingungen hat sich aus den nachstehend erläuterten Gründen als zweckmäßig erwiesen. Die Petzvalsumme PSt= 0,892 für das ganze optische System einschließlich Okular E und fotografischem Objektiv AD beträgt beispielsweise 0,829. Wenn das Okular nun die Petzvalsumme PSe = 0,6¹^'¹ besitzt, sollte das fotografische Objektiv AD die Petzvalsumme PS = 0,227 besitzen.

Da die Petzvalsumme als ein Produkt von Brennweiten der einzelnen Linsensysteme (in diesem Falle des Okulars, des fotografischen Objektivs für Endoskope und des gesamten Linsensystems bestehend aus Okular und fotografischem Objektiv) definiert ist, wird das folgende Verhältnis erhalten:

0,652 0,227 ₌ 0,829
^fe ^{+ f}a ^ft

Da fast alle gängigen Okulare Petzvalsummen PSe = 0,652 haben, mag dieser Wert als konstant betrachtet werden. Daher kann die Petzval summe von fotografischen Objektiven für Endoskope einheitlich bestimmt werden, wenn eine geeignete Petzvalsumme für das ganze Objektiv bestimmt wird. Wenn die Petzvalsumme PSt für das Gesamtsystem = 0,829 in der beschriebenen Weise angenommen wird, hat PSa einen Wert 0,227.

Da andererseits die Petzvalsumme PS als <Ejrr- definiert
ist, ist die Brennweite f des negativen Linsenglieds wesentlich für ein Objektiv wie dem erfindungsgemäßen um die Petzvalsumme auf eine Höhe von PSa = 0,227 herabzubringen. Es ist möglich, die Petzvalsumme des fotografischen Objektivs für Endoskope auf ein Minimum herabzusetzen, wenn eine angemessene Brechkraftverteilung f /f zwischen dem negativen Linsenglied und dem fotografischen Objektiv insgesamt vorgesehen wird. Weiter ermöglicht dies die Petzvalsumme auf einem angemessenen Wert für das ganze System einschließlich Okular zu halten. Die Bedingung (2) dient zur Berücksichtigung dieser Gesichtspunkte.

Darüberhinaus, wenn Astigmatismusdifferenz an jeder Linsenfläche und Petzvalsumme PS miteinander in den Seidelkoeffizienten in Korrelation stehen, haben große Petzvalsummen der ersten und letzten Oberfläche (an der Seite des Linsenglieds L₃ in Fig.2) des oben erwähnten negativen Linsenglieds auch große Werte der Astigmatismusdifferenzen zur Folge. Um die Astigmatismusdiffe-

3421209

renzen auf ein Minimum herabzusetzen, ist es daher notwendig, einen adäquaten Wert für die Durchbiegung des negativen Linsengliedes zu wählen. Aus diesem Grund sollten die Krümmungsradien der ersten und letzten Oberfläche des negativen Linsenglieds innerhalb des durch die Bedingung (1) gegebenen Bereiches liegen.

Wenn IR₁ZR₂I den oberen Grenzwert der Bedingung (1) überschreitet, wird die Astigmatismusdifferenz überkorrigiert. Wenn andererseits IR₁ZRpI kleiner als der untere Grenzwert der Bedingung (l) ist, wird die Astigmatismusdifferenz unterkorrigiert. Wenn |f ZfI kleiner als der untere Grenzwert der Bedingung (2) ist, wird die Bildfeldkrümmung überkorrigiert. Wenn andererseits |f ZfI den oberen Grenzwert der Bedingung (2) überschreitet, wird die BildfeldkrUmmung untt;rkorri giert.

In den nachfolgenden Tabellen 1 bis 3 sind die Daten erfindungsgemäßer Objektive 1 bis 3 angegeben.

Darin bezeichnen

.. die Krümmungsradien der Linsenoberflächen;
... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände

dazwischen;

.. die Brechungsindices der Linsen;
.. die Abbe-Zahlen der Linsen;

die Brennweite des Objektivs;

die numerische Apertur;

die Vergrößerung;

die Petzvalsumme;

wobei die Daten auch diejenigen des Deckglases C und des Prismas P enthalten.

Γ1'	Γ2'
dl'	d2
H1,	n2,
f	2'
NA
ß
PS

T a bo TJ ο

f = 49,393 NA = -0,0023 ß = -0,051 PS = 0,227

r„ = oo

	16,863	d3	104	d4	237	d5	16,237	d6	942	d8	= 7,	00	V	ni =	1	■	,51633	Vl	= 64,	15
			,654				-12
	150,	-242	d7	d9	- 2		49
di					8
	-16,	-11,	IR1	= 1,		n2 -	1	,80610	V2	- 40,	95
d			Ifn		5
OO		= 1,
			5351
OO	- 2,		n3 =	1	,64769	V3	= 33,	80
		5
	= 3,
		7702
	= 12		n4 =	1	,58913	V4	- 60,	97
	0
= 14
	,4047
/R2I		n5 =	1	,51633	V5	= 64,	15
/fl	,0
	r6! "	-16,237	- 1
	,311	16,237
-	,393	* 0,2492

3h212G9

Tabelle 2

f -

oO

di

22,5328

d3

223,065

d4

50,1736

d6

13,7584

d7

39,213

dg

= oO

45,308

NA -

-0,0023

Vl

= 64,15

ß =

-14,3327

-11,7492

-0,046

PS =

0,164

d2

d5

d9

rl =

= 1,0

ni =

1,51633

V2

- 40,95

r2 *

= 7,8

-

r3 =

- 2,5

n2 «

1,80610

V3

= 33,80

r4 =

= 1,5351

V4

= 49,19

Γ5 =

= 0,7

n3 =

1,64769

T* — 6 ~

= 0,8

n4 =

1,60729

V5

» 60,97

r7 =

« 2,7702

r8 =

» 3,0

n5 =

1,58913

r9 =

= 12,4047

rio

d₁₀ = 14,0 n₆

= 1,51633

v_c = 64,15

IR₁ZR₂I - I

-14,3327 13,7584

1,0417

VfI

-10,869 45,308

= 0,2399

Tabelle 3

f = 48,283 ß = -0,050

NA = -0,0026 PS = 0,222

	17,	di	B279	d3	>539	d6	= 1,	00	-12	nl =	1	,51633	V1 » 64	,15
V2 -			,9169				48
	152	d2	d4	d7	= 4,
Γ3 =		,0188	8785		4451
	-16	d5	d8	_ ο		n2 =	1	,8061	V2 = 40	,95
r4 -				5
	16,ί	d9	= 2,
Γ5 "				5351
		IR1	= 1,		n3 =	1	,64769	V3 = 33	80
6				5
	-11	» 2,
r7 "			7702
		= 3		n4 =	1	,58913	V4 = 60,	97
r8 *
	OO	= 12
rg .			,4047
		= 14		n5 *	1	,51633	V5 - 64,	15
Γ10 =		,0
	/R2!		r6« ■		-16,0188	= 0,9855
	/fl	-	,233		16,2539
	=	,283	= 0,2534

Das Objektiv 1 hat den in Fig.2 gezeigten Aufbau. Die Korrekturkurven des Objektivs 1 sind in Fig.5 dargestellt. Fig.6 zeigt die Korrekturkurven eines optischen Systems, das aus dem Objektiv 1 und dem in Fig.l gezeigten Okular besteht (das Okular 1 hat die nachstehend angegebenen Daten).

Das Objektiv 2 hat den in Fig.3 gezeigten Aufbau und ist kombiniert mit einem Okular (Okular 2 mit den nachstehend angegebenen Daten), welches sich von dem in Fig. 2 unterscheidet. Die Korrekturkurven des Objektivs 2 sind in Fig.7 wiedergegeben, wahrend Flg.IO die Kurrekturkurven des Okulars 2 veranschaulicht.

Das Objektiv 3 hat den in Fig.4 gezeigten Aufbau und ist mit dem gleichen Okular kombiniert wie es bei dem Objektiv 1 der Fall war. Die Korrekturkurven dieses Objektivs sind in Fig.8 dargestellt.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung und anhand der erfindungsgemäßen Objektive ergibt, lösen diese die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe. Dies sei im einzelnen unter Bezugnahme auf das Objektiv 1 näher erläutert.

Das ;kular E allein des optischen Systems, das das erfindungsgemäße Objektiv 1 enthält (das Okular 1,

~ 18 -

welches das gleiche ist wie das bekannte Okular) hat sagittalen Astigmatismus DS =-0,104 und meridionalen Astigmatismus DM =-0,175. Um diese Astigmatismen DS und DM zu korrigieren, hat das Objektiv 1 positive Werte DS = 0,037 und DM = 0,135. Infolgedessen hat das optische Gesamtsystem aus Okular E und fotografischem Objektiv AD für Endoskope Astigmatismus DS = -0,066 und DM = -0,043.

Demgegenüber besitzt ein optisches System aus einem MMi'-hen fotografisehen Objektiv AD mit einem konvexen Ki ttgliod wio es in Fig.l gezeigt ist und einem Okular den Astigmatismus DS -■ -0,161 und DM = -0,274.

Wie aus diesen Werten ersichtlich, gewährleistet die Verwendung des erfindungsgemäßen Objektivs 1 in dem aus Okular und fotografischem Objektiv für Endoskope bestehenden optischen System die Bildung einer ausreichend flachen Bildschale. Zusätzlich sind die Aberrationen den optischen Gesamtsystems besser korrigiert als die des Okulars allein.

Diese Tatsache ergibt sich klar auch aus den Korrekturkurven. Fig.9 zeigt die Korrekturkurven eines üblichen optischen Systems, bestehend aus einem Okular und einem fotografischem Objektiv für Endoskope. Wenn diese Korrekturkurven mit den Korrekturkurven des aus dem Objektiv 1 und Okular 1 bestehenden optischen Systems, wie sie in Fig.6 dargestellt sind, verglichen werden, ist

^ -. ._ iz-LJ

- 19 -

es klar, daß die Aberrationen hier besser korrigiert sind.

Fig.11 zeigt die Astigmatismuscharakteristik des Okulars 1 alleine (E), des fotografischen Objektivs 1 alleine (AD) und des aus Okular 1 und fotografischen·, Objektiv bestehenden Systems (E + AD) mit dem Objektiv 1 nach der Erfindung. Aus diesen Kurven ergibt sich, daß das erfindungsgemäße fotografische Objektiv für Endoskope einen positiven, das Okular einen negativen Verlauf hat und das optische System als Kombination davon eine flache Bildachale aufweint.

Demgegenüber hat beim üblichen fotografischen Objektiv AD für Endoskope, wie Fig.12 zeigt, dieses einen negativen "Verlauf, wodurch die Aberrationen im optischen System aus Okular 1 und dem fotografischen Objektiv (E + AD) verstärkt werden.

Das in Fig.l gezeigte Okular 1 den Stand der Technik betreffend, in Fig.2 oder Fig.4 in Verbindung mit dem Objektiv 1 bzw. Objektiv 3 nach der Erfindung und das in Fig.3 gezeigte Okular 2 in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Objektiv 2 haben die nachstehend aufgeführten Daten.

Okular 1

= 32,633

= 11,000

r_o = -21,474

f = 22,897 β = 38,801

Ci₁ = 0,87 d„ - 1,82 = 2,00

d₄ = 1,00

- 20 -

n₂ » 1,66672

n₃ = 1,51633

NA = -0,0987
PS = 0,652

η_χ = 1,78472 ν_χ =.,25,71

48,32

= 64,15

= OQ

Okular 2

f « 23,385 ß » 63,79

r, = 41,5113

14,7870

-27,1875
d
100,0

-100,0

d₂ = 1,82

- 2,00

d₄ = 1,00 NA = -0,0445
PS = 0,675

=0,87 η. = 1,78472

n₂ = 1,65160

n₃ » 1,51633

= 25,71 = 58,67

- 64,15

Claims (4)

1. Patentansprüche

   I)) Fotografisches Objektiv für Endoskope zur Anordnung hinter einem Okular zur Durchführung fotografischer Aufnahmen, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv drei Linsenglieder enthält einschließlich zumindest ein negatives Linsenglied, wobei das Objektiv insgesamt positive Brechkraft besitzt und so ausgebildet ist, daß es den folgenden Bedingungen (1) und (2) genügt:

   (1)

   0,9 «

   (2) 0,2 i lf_n/fl

   * 1,2

   * 0,3

   darin bezeichnen

   R„ und R,

   die Krümmungsradien' der ersten und letzten Oberfläche des negativen Linsenglieds;
   die Brennweite des negativen Linsenglieds;
   die Brennweite des fotografischen Objektivs.
2. 2) Fotografisches Objektiv für Endoskope nach An^ spruch 1, gekennzeichnet durch ein positives Linsenglied, ein negatives Linsenglied und ein positives Linsenglied, und die folgenden Daten + 5%:

   Tabelle 1

   f = 49,393 NA = -0,0023 ß - -0,051 PS - 0,227

   r. = oo

   ^dl οθ ^d2 = 16,863 ^d3 = 150,104 ^d4 = -16,237 ^d5 = 16,237 ^d6 - -11,942 ^d8 = 1, ,00 ⁿi = 1 ,51633 ^vl = 64, 15 ^Γ2 = -242,654 ^d7 — 7 ,8 ^Γ3 — ρ .5 ⁿ2 = 1 ,80610 ^V2 = 40, 95 ^Γ4 - 1, 5351 ^Γ5 = 1, 5 ⁿ3 _ ]_ ,64769 ^V3 - 33, 80 ^Γ6 — ρ 7702 ^Γ7 = 3, 0 ⁿ4 = 1 ,58913 ^V4 - 60, 97 ^Γ8 - 12 ,4047

   d_g = 14,0 n₅ = 1,51633

   ^r10 ⁼ °°

   \RJR_O\ = Ir₅/r₆l = -12,311

   χ 2

   VfI

   -16,237

   49,393

   16,237 0,2492

   ν,- = 64,15

   darin bezeichnen:

   r., Γρ, ... die Krümmungsradien der Linsenoberflächen einschließlich von Deckglas und Prisma,

   d.,, dg, .·· die Dicken der Linsen einschließlich Deckglas und Prisma und Luftabstände dazwischen

   n., n₂, ... die Brechungsindices der Linsen einschließlich Deckglas und Prisma,

   ^V1' ^V2' '** ^^e Abbe-Zahlen der Linsen einschließlich Deckglas und Prisma,

   f die Brennweite dos Objektivs,

   NA die numerische Apertur,

   ß die Vergrößerung,

   PS die Petzvalsumme.
3. 3) Fotografisches Objektiv für Endoskope nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein positives Linsenglied ein negatives Linsenglied in Form eines Kittglieds aus zwei Linsen und ein positives Linsenglied und durch folgende Daten + 5%:

   Tabelle 2 f - OO ^d2 22,5328 ^d3 223,065 ^d4 50,1736 ^d6 13,7584 45, 308 = V NA - -0,0023 ,164 ^Vl = 64, 15 ß = -14,3327 d₇
   39,213 -o, 046 -10 PS = 0 ,51633 ^di ^d5 = 1, 0 45 ⁿi ⁼ 1 ^rl ⁼ -11,7492 ^r2 = ^d9 —. H 8 1 ^V2 - 40, 95 ^d10 ,80610 ^r3 ⁼ ■ IR₁ — 0 5 n₂ - 1 ¹ η = 1, 5351 ^V3 = 33, 80 ,64769 ^Γ5 ⁼ = ο, 7 ⁿ3 ⁼ 1 ^V4 ;= 49, 19 ,60729 ^r6 ⁼ = ο, 8 ⁿ4 - 1 ^V5 = 60, 97 7 - 2, 7702 58913 ^r8 ⁼ = 3, 0 ⁿ5 ⁼ 1 ^V6 = 64, 15 ^r9 ⁼ = 12 ,4047 51633 = 1, 0417 = 14,0 ⁿ6 ⁼ I₁ -14,3327 ^rio ^{=
   r}i 1 ⁼ /R₂! r₇l - 13,7584 11 /fl ,869 = 0,2399 ,308

   darin bezeichnen:

   die Krümmungsradien der Linsenoberflächen
   einschließlich von Deckglas und Prisma,
   die Dicken der Linsen einschließlich Deckglas und Prisma und Luftabstände dazwischen die Brechungsindices der Linsen einschließlich Deckglas und Prisma,

   die Abbe-Zahlen der Linsen einschließlich
   Deckglas und Prir.ma,
   die Brennweite des Objektivs,
   die numerische Apertur,
   die Vergrößerung,
   die Petzvalsumme.
4. 4) Fotografisches Objektiv für Endoskope nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein positves Linsenglied, ein negatives Linsenglied und ein positives Linsenglied und die folgenden Daten + 5%:

   ^r2' d₂, V n₂, ^νι· ^V2' f NA ß PS

   Tabelle 3

   ^ri = oO

   oO ^di 8279 ^d3 2539 ^d6 - 4 ,00 ^r2 ⁼ ,9169 17, ^d2 ^d4 ^d7 = 2, ,4451 ^r3 ⁼ ,0188 ,8785 152 ^d5 ^d8 « 2, 5 ^r4 ⁼ -16 ^d9 - 1, 5351 ^r5 ⁼ 16, = 2, 5 ^Γ6 ⁼ - 3 7702 ^r7 ⁼ -11 = 12 ^Γ8 ⁼ OO = 14 ,4047 ^r9 ⁼ ,0

   f - 48,283 NA = -0,0026 ß * -0,050 PS - 0,222

   ^ = 1,51633

   = 1,8061

   n₃ - 1,64769

   n₅ = 1,51633

   = 64,15

   = 40,95

   33,80

   n₄ » 1,58913 V₄ = 60,97

   = 64,15

   IR₁ZR₂I -

   If_nZfI

   ■16,0188

   -12,233

   48,283

   16,2539

   0,2534

   = 0,9855

   ό -■■■■ Z 1 «: ο b

   - 7 darin bezeichnen:

   γ-, r₂, ... die Krümmungsradien der Linsenoberflächen einschließlich von Deckglas und Prisma,,

   ¹I' ~2' " '

   d„, d_o, ... die Dicken der Linsen einschließlich Deck

   glas und Prisma und Luftabstände dazwischen

   η.,ηρ, ... die Brechungsindices der Linsen einschließlich Deckglas und Prisma,

   V-, Vr>» ··· die Abbe-Zahlon der Linsen einschließlich Deckglas und Prisma,

   f die Brennweite des Objektivs,

   NA die numerische Apertur,

   ß die Vergrößerung,

   PS die Petzvalsumme.