DE3447893C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System für Endoskope mit einem Objektiv, einer Übertragungslinse mit stetig radial nach außen abnehmendem Brechungsindex zur Übertragung eines vom Objektiv geformten Bildes und einem Okularsystem zur Betrachtung des von der Übertragungslinse übertragenen Bildes, bei dem die ebene Lichtaustrittsfläche des Objektivs mit der Lichteintrittsfläche der Übertragungslinse verklebt ist.

Endoskope zur Untersuchung von Kleinkindern oder zum industriellen Gebrauch sollten vorzugsweise so fein wie möglich sein. Daher wurde ein Endoskop entwickelt, bei dem eine so abgestufte Brechungsindexlinse, wie eine Selfoc-Linse (Handelsname), als Objektiv und als Übertragungslinse vorgesehen ist. Wie z. B. in Fig. 1 zeigt, besteht das optische System eines derartigen konventionellen Endoskopes aus folgenden Komponenten: Einem Objektiv 1; einer Übertragungslinse 2, die aus einer mit dem Objektiv verbundenen abgestuften Brechungsindexlinse besteht, einer Feldlinse 3 und einem Okular 4, so daß ein Bild O′ eines Objektes O durch das Objektiv 1 auf seiner hinteren Fläche gebildet und durch die Übertragungslinse 2 übertragen werden kann, um auf der hinteren Fläche als ein Bild O′′ abgebildet zu werden, das vergrößert und mit einem Okularsystem beobachtet werden kann, das aus der Feldlinse 3 und dem Okular 4 besteht. Jedoch kann im Objektiv 1, das aus der abgestuften Brechungsindexlinse besteht, die chromatische Abweichung nicht korrigiert werden und muß daher so groß sein, um z. B. 40 µ (c-Linie bis f-Linie) in der lateralen chromatischen Abweichung und 100 µ (c-Linie bis f-Linie) in der längsverlaufenden chromatischen Abweichung zu sein. Auch kann in diesem Objektiv 1 die monochromatische Abweichung nicht korrigiert werden, wodurch sich das Problem ergibt, daß das Auflösungsvermögen niedrig ist. Weiterhin gibt es bis heute in diesem Objektiv 1 kein Blickfeld von mehr als 60°, und daher ergibt sich das Problem, daß kein weites Bildfeld gewählt werden kann. Auch ist in diesem Objektiv 1 der Teil, in welchem die Lichtstrahlenhöhe niedrig ist, als eine Eigenschaft der abgestuften Brechungsindexlinse derartig kurz, daß es schwierig ist, die optische Achse durch Anordnung besagten Teils zu krümmen, als Ergebnis dessen sich das Problem stellt, daß eine Schrägbetrachtung sehr schwierig ist. Weiterhin ergeben sich, als Eigenschaften der abgestuften Brechungsindexlinse, Probleme, daß, falls die gesamte Endfläche genutzt wird, um ein Bild zu formen, der Lichtbetrag auf der peripherischen Seite des Sichtfeldes gleich null wird und keine fotografische Aufnahme gemacht werden kann, so daß Streifen auf dem Bild erscheinen; das Bild wird gestört, die peripherischen Kanten des Sichtfeldes werden gespalten und es somit sehr schwierig ist, die peripherische Seite des Sichtfeldes zu sehen. Weiterhin besteht ein Problem darin, daß, im Falle des in Fig. 1 dargestellten optischen Systems, falls eine Feldblende auf der hinteren Fläche der Übertragungslinse 2 vorgesehen ist, sich die Fokusabweichung innerhalb der Übertragungslinse 2 addiert, weshalb es schwierig sein wird, die Feldblende und die Bildposition miteinander zusammfallen zu lassen. Weiterhin ergeben sich in einem solchen konventionellen System Probleme, als keine Aperturblende vorgesehen ist, sogar wenn unnötige Lichtbündel eintreten, und als Ergebnis dessen wird ein Lichtschein produziert, welcher den Kontrast verschlechtert.

Bekannt ist auch bereits ein Linsensystem des Objektives, das Bestandteile mit negativer Brennweite und Bestandteile mit positiver Brennweite, ein homogenes Übertragungslinsensystem und ein Okularsystem aufweist. Hierbei ist die Anordnung derart, daß ein vom Objektiv geformtes Bild so übertragen wird, daß es wiederum durch eine Mehrzahl von Übertragungslinsen geformt wird. Daher kann ein derartiges optisches System nicht alle auftretenden Probleme, wie Streifen, Unregelmäßigkeiten u. dgl. an der Außenkante des Sehfeldes und den während der Übertragung des Bildes durch heterogene Linsen erzeugten Mangel an Lichtmenge lösen.

Darüber hinaus ist vorgesehen, das Linsensystem insgesamt mit homogenen Linsen zu versehen, so daß es schwierig ist, Linsen mit einem kleinen Durchmesser vorzusehen. Das bedeutet, daß hier das Problem eines großen wirtschaftlichen und baulichen Aufwandes besteht (DE-OS 29 19 205).

Es ist auch bereits ein optisches System vorgeschlagen worden, bei dem ein Objektiv mit einer heterogenen Linse, ein Übertragungslinsensystem und ein Okular vorhanden ist. Dieses Linsensystem weist jedoch die gleichen Probleme auf, wie sie voranstehend angegeben wurden (DE-OS 19 67 105).

Bei einem anderen bekannten optischen System für ein Endoskop ist bereits ein optisches System eines Objektives vorgesehen worden, das als Zwei-Konvex-Linsentyp ausgebildet ist. Nicht vorgesehen ist hierbei jedoch eine Übertragungslinse mit stetig radial nach außen abnehmendem Brechungsindex des vom Objektiv geformten Bildes und auch ein Okularsystem zur Betrachtung des übertragenen Bildes ist nicht vorhanden (DE-OS 30 29 799).

Bei einem weiteren bekannten optischen System ist als Okularblende eine Aperturblende vorgesehen, die in der Nähe der Position eingesetzt ist, welche von der bildgeformten End-Oberfläche mit (1/4 + n) L in Z-Richtung entfernt liegt. Somit ist diese Aperturblende vorgesehen, um einen durch das Objektiv erzeugten Lichtschein durch Beschränkung nur der spezifischen Helligkeit zu eliminieren, um den von außerhalb des Sehfeldes kommenden Lichtstrahl abzufangen, ohne das Sehfeld abzudecken (US-PS 39 36 149).

Bei einem bekannten optischen System mit veränderbarer Betrachtungsrichtung für Endoskope besteht das Objektiv aus einer konvexen Linse und einer konkaven Linse, wobei auch eine aus mehreren Linsen bestehende Linsengruppe vorgesehen sein kann. Die Linsen weisen dabei zueinander einen Winkel auf und es ist zwischen der konkaven Linse und der konvexen Linse ein rechtwinkeliges Prisma vorgesehen (DE-OS 30 25 186).

Auch ist es bereits vorgeschlagen worden, bei einem Objektiv, das aus einer vorderen und einer hinteren Linsengruppe besteht, vorzusehen, die hintere Linsengruppe längs der optischen Achse beweglich anzuordnen (DE-OS 26 40 353).

Ein anderer bekannter Vorschlag offenbart ein optisches System mit schräg nach vorn gerichtetem Sehfeld, also ein optisches Schrägblicksystem für Endoskope.

Das optische System ist dabei so angeordnet, daß die Oberfläche des Prismas, welches der ersten Reflexionsfläche nach dem System der vorliegenden Anmeldung entspricht, einen großen Winkel im Verhältnis zur optischen Achse des Bildfokussierungslinsensystems bildet, wobei sie in eine Richtung geneigt ist, die der der Eintrittsfläche des Prismas gleich ist. Bei einer solchen Anordnung muß das Prisma eine verkürzte Länge aufweisen. Dabei ergibt sich, daß, falls diese Länge vergrößert wird, die Oberfläche des Prismas schließlich die optische Achse erreichen wird und es so unmöglich ist, die Austrittsfläche dieses Prismas auszubilden. Im Ergebnis führt dies zu einer entsprechend reduzierten Länge und damit zu einer entsprechend kleinen Größe des Prismas, wodurch sehr große Schwierigkeiten bei seiner Herstellung entstehen. Es ist allgemein bei optischen Vorrichtungen wünschenswert, daß die Komponenten hinsichtlich ihrer Größe kompakt sind. Jedoch in einer Vorrichtung, wie einem Endoskop, wo die entsprechenden Komponententeile von besonders kleiner Größe sind (das zweite Prisma hat bei der tatsächlich hergestellten Ausführungsform einen Durchmesser von ungefähr 1 mm), ist zu beachten, daß die Herstellung von Prismen merkbar schwieriger wird und in diesem Zusammenhang für ihre Handhabung größte Sorgfalt erforderlich ist. So ist z. B. jedes Prismenteil mit einer Pinzette aufzunehmen und schon ein leiser Luftzug kann die Anordnung von Prismen bei der Montage verändern, was hier zu entsprechenden Schwierigkeiten führt.

Bei dem bekannten Vorschlag ist jedoch das Prisma derart ausgebildet, daß seine Oberflächen nahezu parallel zueinander sind, so daß das Prisma insgesamt eine mehr oder weniger tafelähnliche Konfiguration aufweist. Wenn also dieses tafelähnliche dünne Prisma in den vorderen Abschnitt des Endoskopes einmontiert wird, ist es notwendig, dieses winzig kleine, plattenähnliche Teil in einem Zylinder zu halten, wobei das Prisma seine vorbestimmte, geneigte Position einzuhalten hat. Ein solcher Zusammenbau ist außerordentlich mühselig und außerdem ist es äußerst schwierig, das Prisma im fertig zusammengesetzten Endoskop in stabiler Position zu halten. Die Anmelderin hat darüber hinaus noch festgestellt, daß über einen längeren Benutzungszeitraum die Gefahr besteht, daß Positionsabweichungen des Prismas auftreten könnten, so daß sich diese Konfiguration nicht als den Anforderungen entsprechend erwiesen hat.

Wenn man nun ein integriertes Prisma verwenden würde, würden die voranstehend erwähnten Schwierigkeiten mehr oder weniger abgemildert. Jedoch reicht der Bereich, in dem das Prisma mit dem Tubus in Kontakt ist, nicht bis zu einer zur optischen Achse des Endoskopes senkrechten Ebene, sondern ist hierzu verschoben angeordnet. Daher kann der Nachteil, daß sich eine spielbehaftete Halterung entwickelt, nicht vermieden werden, d. h. daß dieses Prisma aufgrund der versetzten Anlagefläche leicht verschiebbar ist (DE-OS 24 58 306).

Im Hinblick auf die obenerwähnten Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System für Endoskope zu schaffen, mit dem die chromatische Abweichung ausgeschaltet werden kann, sich das Auflösungsvermögen verbessert, ein weites Bildfeld beliebig ausgewählt werden kann, eine Schrägbetrachtung leicht ist, sogar die peripherische Seite eines Sichtfeldes fotografiert und ein günstiges und leicht erkennbares Bild erhalten werden kann, es einfach ist, daß die Feldblende und die Bildposition miteinander zusammenfallen und ein Bild, worin kein Lichtschein erzeugt wird und der Kontrast günstig ist, erhalten wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Mit dieser Anordnung können die chromatische Abweichung und verschiedene andere auf das zu formende Bild bezogene Abweichungen korrigiert werden; das Bildfeld kann beliebig gewählt werden und es ist leicht, die optische Achse mit einem Prisma od. dgl. zu krümmen, so daß der Teil, in welchen der Lichtstrahl niedrig ist, lang ausgestaltet werden kann.

Bei dem vorschlagsgemäßen optischen System liegt die Reflexionsfläche parallel zur optischen Achse des abbildungsformenden Linsensystems, so daß die oben aufgezeigten Probleme alle gelöst werden können. Darüber hinaus führt die Tatsache, daß die erste Reflexionsfläche mit der optischen Achse parallel liegt, dazu, daß das Lichtbündel, nachdem es an dieser Reflexionsfläche reflektiert wurde, gegenüber der bekannten Anordnung viel stärker nach hinten reflektiert wird.

Hierbei ergibt es sich, daß das Prisma notwendigerweise lang ausgebildet wird. Da jedoch die erste Reflexionsfläche parallel zur optischen Achse ist, besteht in diesem Fall trotz der erreichten Länge keine Befürchtung, daß eine Austrittsfläche nicht ausbildbar ist. Daher ist es möglich geworden, eine angemessene Länge für das Prisma willkürlich so auszuwählen, die für die Herstellung und Handhabung als günstig erscheint.

Bei dieser Anordnung wird darüber hinaus noch das Prismensystem, das man durch die Verbindung des ersten und zweiten Prismas erhält, in Form eines länglichen, rundstabähnlichen Teils bereitgestellt. Auf diese Weise kann, falls dieses Prismensystem im Tubus eines Endoskopes angeordnet wird, seine Halterung über einen langen Benutzungszeitraum stabil gehalten werden und bereits im Zeitpunkt der Montage des Systems in einem Endoskop kann der Einbau durch Einsetzen des gesamten Systems in den Tubus leicht bewerkstelligt werden, so daß der Montagevorgang des gesamten Systems insgesamt sehr vereinfacht worden ist. Da das integrierte Prismensystem im Tubus eine entsprechende Länge einnimmt, wird aufgrund der ausreichenden Anlagefläche eine Verdrehung des Systems innerhalb des Tubus sicher vermieden, so daß das System innerhalb des Tubus kein Spiel entwickeln kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht eines optischen Systems für konventionelle Endoskope,

Fig. 2 eine Ansicht eines Objektivs eines Ausführungsbeispiels eines optischen Systems für Endoskope,

Fig. 3 Abweichungsdiagramme des Objektivs gemäß Fig. 2, und

Fig. 4 eine Ansicht eines Objektivs einer weiteren Ausführungsform eines optischen Systems für Endoskope.

Im folgenden soll das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel erklärt werden. Das Symbol L₁ bezeichnet eine Vorderlinsengruppe, die hergestellt wurde durch Verkitten einer Konkavlinse 11, eines Glasblocks 13 mit einer in diesem angeordneten Blende 12 und einer Konvexlinse 14; L₂ bezeichnet eine hintere Linsengruppe, die hergestellt wurde durch Verkitten einer Konvexlinse 15 und einer Konkavlinse 16, um somit ein Objektiv mit längerer Schnittweite, größer als die Brennweite auszubilden. Eine Feldblende 17 ist zwischen der hinteren Fläche der hinteren Linsengruppe L₂ (der hinteren Fläche der Konvexlinse 16) und der Vorderfläche der Übertragungslinse 2 (abgestufte Brechungsindexlinse) vorgesehen, und beide Flächen sind miteinander verkittet.

Das optische System für Endoskope ist, wie oben beschrieben, ausgebildet und schließt die genannten Teile ein. Daher kann durch Korrektur der chromatischen Abweichung z. B. eine seitliche chromatische Abweichung von 2 µ und eine längsverlaufende chromatische Abweichung von 2 µ tatsächlich erreicht werden. Wie in Fig. 3 dargestellt, können auch derartig verschiedene Abweichungen wie sphärische Abweichung, Astigmatismus und Verzeichnung beträchtlich korrigiert werden, und daher wird sich das Auflösungsvermögen verbessern. Weiterhin kann ein weites Bildfeld beliebig eingestellt werden. Zum Beispiel kann ein Bildfeld von 140° erreicht werden. Da die optische Weglänge in dem Teil, in dem die Lichtstrahlhöhe in der Nähe der Blende 12 niedrig ist, lang gestaltet werden kann, kann die optische Achse mit einem Prisma gekrümmt werden, wodurch schräge Betrachtungen sehr leicht sind.

Die Bezugsziffer 20 bezeichnet eine solche Reflektionsschicht, wie z. B. aus Aluminium, die die Bodenfläche (die Seitenfläche soll eine Abstrahlfläche sein) des Prismas 19 bedeckt.

In den optischen Systemen wird, da die Feldblende 17 zwischen der hinteren Fläche des Objektivs und der Vorderfläche der Übertragungslinse 2 vorgesehen ist, der Randteil der Endfläche der Übertragungslinse vom Sichtfeld entfernt. Daher wird der Teil von und nahe dem Null-Lichtbetrag entfernt, das Sichtfeld wird hell bis zum Randteil und das gesamte Sichtfeld ist fotografierbar. Auch wird der Randteil des Bildes, der Streifen aufweist, aus dem Sichtfeld entfernt und es wird ein günstiges Bild bis zum Randteil des Sichtfeldes erreicht.

Weiterhin werden Unregelmäßigkeiten auf der peripherischen Kante des Sichtfeldes verborgen und die peripherische Kante wird so klar, daß das Sichtfeld leicht bis zum Randteil betrachtet werden kann. Da die Feldblende 17 im Falle, daß man die Feldblende 17 und die Bildposition miteinander zusammenfallen läßt, vor der Übertragungslinse 2 vorgesehen ist, wird die Fokuspositionsabweichung innerhalb der Übertragungslinse nicht addiert und die Feldblende 17 und die Bildposition können lediglich durch Justierung des Objektivs miteinander zusammenfallen. Da das Objektiv aus zwei Gruppen gebildet ist, die beide verkittete Linsen sind und die hintere Linsengruppe L₂ an die Übertragungslinse 2 gekittet ist, wird in dem vorliegenden optischen System für Endoskope keine Abstandshülse benötigt, als Ergebnis dessen wird die üblicherweise durch Abstandshülsen bedingte Abdunkelung ausgeschaltet und die Helligkeit auf dem Randteil des Sichtfeldes verstärkt. Durch Bewegen der hinteren Linsengruppe durch die Übertragungslinse 2 von der Objektivseite - wie durch den Pfeil gezeigt - kann die Entfernung zwischen der Frontlinsengruppe L₁ und der hinteren Linsengruppe L₂ justiert werden und folglich kann der Fokus justiert werden.

Die Zahlenangaben des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels werden im folgenden dargestellt:

wobei das Symbol f eine Brennweite des Objektivs darstellt; r₁, r₂, . . . Radien der Krümmung der entsprechenden Linsenflächen des Objektivs darstellen; d₁, d₂, . . . die Dicke und Luftzwischenräume der entsprechenden Linsenelemente des Objektivs darstellen; n₁, n₂, . . . die Brechungszahlen der entsprechenden Linsenelemente des Objektivs und V₁, V₂, . . . Abbesche Zahlen der entsprechenden Linsenelemente des Objektivs darstellen.

Anstelle der im Glasblock 13 vorgesehenen Aperturblende 12 kann eine Aperturblende an einer Stelle angeordnet werden, die in Wirkverbindung mit der für die Aperturblende 12 vorgesehenen Stelle steht, so daß eine scheinbare Aperturblende in dem Glasblock 13 ausgebildet werden kann.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Seitwärtsblickprisma 25, welches eine Abstrahlfläche 25 a von 45° hat, auf die Vorderfläche der Konvexlinse 22 gekittet, um die Frontlinsengruppe L₁ zu bilden, so daß ein Seitwärtsblick bzw. eine Seitwärtsbeobachtung möglich ist. Nebenbei gesagt bezeichnet die Bezugsziffer 26 solch einen Film, wie aus Aluminium, der die Abstrahlfläche des Seitwärtsblickprismas 25 von außen bedeckt, aber jener ist nicht notwendigerweise besonders vorzusehen, falls eine totale Abstrahlung von der Abstrahlfläche 25 a erfolgt.

In jedem der Ausführungsbeispiele ist die hintere Linsengruppe L₂ beweglich längs der optischen Achse durch die Übertragungslinse 2 angeordnet, was durch einen Pfeil angedeutet ist, um eine Fokusjustierung zu ermöglichen.

Claims (3)

1. Optisches System für Endoskope mit einem Objektiv, einer Übertragungslinse mit stetig radial nach außen abnehmendem Brechungsindex zur Übertragung eines vom Objektiv geformten Bildes und einem Okularsystem zur Betrachtung des von der Übertragungslinse übertragenen Bildes, bei dem die ebene Lichtaustrittsfläche des Objektivs mit der Lichteintrittsfläche der Übertragungslinse verklebt ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Objektiv aus einer Frontlinsengruppe (L₁) und einer hinteren Linsengruppe (L₂) besteht
• - daß die Frontlinsengruppe (L₁) eine Konkavlinse (11′), die eine konkave Fläche auf der Bildseite aufweist, einen Glasblock (13), der mit der Konkavlinse verklebt ist und der eine Aperturblende (12) enthält und eine an den Glasblock geklebte Konvexlinse (14) mit einer konvexen Fläche auf der Bildseite umfaßt und
• - daß die hintere Linsengruppe (L₂) eine Bikonvexlinse und eine an diese geklebte Konkavlinse aufweist.

2. Optisches System für Endoskope nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse der Konkavlinse (11′) der Frontlinsengruppe (L₁) in bezug zur optischen Achse der Übertragungslinse (2) schräggestellt ist und daß der Glasblock (13) aus zwei miteinander verklebten Prismen (18, 19) besteht.

3. Optisches System für Endoskope nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontlinsengruppe (L₁) ein Seitwärtsblickprisma (27) mit einer Reflexionsfläche (27 a), die in einem Winkel von kleiner oder gleich 45° zur optischen Achse Übertragungslinse (2) steht, aufweist.