DE3529026A1

DE3529026A1 - Optisches system fuer ein endoskop

Info

Publication number: DE3529026A1
Application number: DE19853529026
Authority: DE
Inventors: Kimihiko Nishioka; Susumu Takahashi; Tsutomu Yamamoto; Akira Hachioji Tokio/Tokyo Yokota
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1984-08-15
Filing date: 1985-08-13
Publication date: 1986-02-27
Also published as: US4720178A; JPS6147919A; DE3529026C2; JPH043853B2

Description

DIPL.-ING. GERHARD PULS (1952-I971) ,

EUROPEAN PATENTATTORNEYS d.pl.-chem.or.e.fmihehr von pechmann

DR.-ING. DIETER BEHRENS O C O Q Π O C D1PL.-ING.; DIPU-VIRTSCh-MNCRUPERT GOETZ

1A-59 605 D-8000 MÜNCHEN

Olympus Optical Company Ltd., Schweigerstrasse2

Tokyo, Japan

telefon: (089) 66 10 51 telegramm: protectpatent telex: j 24 070

Optisches System für ein Endoskop

Die Erfindung betrifft ein optisches System für ein Endoskop, bei dem zum Abbilden eines Objektes eine Festkörper-Videokamera benutzt wird.

Es ist bekannt, daß eine Festkörper-Videokamera von Ladungskopplungs- oder CCD-Elementen gebildet sein kann, die in Form eines Dual-in-line- oder DIL-Gehäuses angeordnet sind. Das Gehäuse hat eine Abbildungsebene oder Eingangsfläche, die in einem Teil der Gehäuseoberseite ausgebildet ist, und ist intern mit peripheren Schaltungen verbunden. Folglich betragen die Gesamtabmessungen der Videokamera bis zu einem Mehrfachen der Abmessungen ihrer Abbildungsebene. Wenn ein Endoskop konstruiert werden soll, bei dem zum Abbilden eines Objektes eine solche Festkörper-Videokamera benutzt wird, wird die Unterbringung der Videokamera schwierig.

Bei dem in Fig. 2A in Seitenansicht dargestellten herkömmlichen Endoskop ist in seinem distalen Endstück 1 ein Objektiv 2 angeordnet. Wenn hinter dem Objektiv 2 eine Festkörper-Videokamera 3 rechtwinklig zur Längs- oder Achsenrichtung des Endoskops angeordnet ist, wird es durch die Abmessungen der Videokamera 3 erforderlich, den Durchmesser des distalen Endstücks 1 vom Endoskop zu vergrößern, was unerwünscht ist (s. Fig. 2B).

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Zur Überwindung dieser Schwierigkeit ist bei einer aus der Japanischen Offengelegten Patentanmeldung 46 922/1983 bekannte Anordnung vorgesehen, daß gemäß Fig. 3A hinter dem Objektiv 2 im distalen Endstück 1 des Endoskops ein reflektierendes Bauteil 4, z.B. ein Prisma, so angeordnet ist, daß die optische Achse hinter dem Objektiv 2 rechtwinklig zur Längs- oder Achsenrichtung umgelenkt wird. Es wird somit ermöglicht, daß Licht zur Beobachtung auf eine Festkörper-Videokamera 3¹ auffällt, welche in diesem Falle parallel zur Endoskopachse angeordnet ist. Weil jedoch die Videokamera 3' gegenüber der optischen Achse des Objektivs 2 versetzt ist, macht Fig. 3B deutlich, daß die Videokamera 3¹ in dieeem Falle nicht in der Nähe der Mittelachse des distalen Endstücks 1 angeordnet werden kann, und daß folglich ein vergrößerter Durchmesser des distalen Endstücks 1 erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Endoskop mit einer Festkörper-Videokamera zum Abbilden eines Objektes ein optisches System so auszubilden, daß der Durchmesser des distalen Endoskopendstuckes, in dem ein Objektiv und eine Videokamera anzuordnen sind, so klein wie möglich gehalten werden kann. Das optische System soll ferner nicht nur auf Direkt- bzw. Geradeausblick-, sondern auch auf Seiten- und Schrägblick-Endoskospe anwendbar sein und das bei der Bilderzeugung mit einer Festkörper-Videokamera übliche Auftreten von Moirerändern im Bild verhindern.

Ein die Aufgabe lösendes optisches System ist mit seinen Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. IA eine Seitenansicht eines Endoskops entsprechend einer ersten Ausfuhrungsform der Erfindung,

Fig. IB die zugehörige Vorderansicht,

Fig. 2A und 3A je eine Seitenansicht eines herkömmlichen Endoskops,

Fig. 2B und 3B je die zugehörige Vorderansicht,

Fig. 4 eine Detailansicht eines Prismas für die Ausführungsform gemäß Fig. 1,

Fig. 5 bis 12 Darstellungen von verschiedenen Prismen und optischen Systemen als Abwandlungen der Ausführungsform gemäß Fig. 1,

Fig. 13 ein optisches System gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 14 ein optisches System als Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 13,

Fig. 15 ein optisches System entsprechend einer dritten Ausfuhrungsform der Erfindung,

Fig. 16 ein optisches System als Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 15,

Fig. 17 und 18 ein optisches System bzw. ein Prisma hierfür gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 19 eine vereinfachte Darstellung der Konfiguration eines Phasenfilms zum Verhindern von Moirerändern.

Fig. IA und IB zeigen ein optisches System 10 für ein Direkt- oder Geradeausblick-Endoskop. Letzteres hat ein distales Endstück 11, in dem ein Objektiv 12 gemäß Fig. IB zumindest annähernd gleichachsig zur Mittelachse des Endstücks 11 angeordnet ist. An oder in der Nähe der Mittelachse des Endstücks 11 ist eine Festkörper-Videokamera 13 in einem Bereich angeordnet, der der größten Querschnittsbreite des Endstücks 11 entspricht. Einer Eingangsfläche 13a der Videokamera 13 gegenüber ist winklig dazu eine erste reflektierende Fläche 14a eines Winkelprismas 14 angeordnet, das eine zweite reflektierende Fläche 14b hat. Beide reflektierende Flächen 14a und 14b sind durch Beschichten mit Alumi-

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nium als Spiegelflächen ausgebildet. Hinter dem Objektiv 12 ist ein Reflexionsprisma 15 angeordnet. Licht zur Beobachtung, das entsprechend der mit einem Pfeil X angegebenen Richtung auf das distale Endstück Π auftrifft, geht durch das Objektiv 12 hindurch und wird dann durch das Reflexionsprisma 15 entsprechend Fig. IA nach oben abgestrahlt und fällt auf das Winkelprisma 14 auf, wird von dessen zweiter reflektierenden Fläche 14b zurückgestrahlt, erfährt an der Bodenfläche des Winkelprismas 14 eine Totalreflexion und wird dann von der ersten reflektierenden Fläche 11 reflektiert, wodurch es vom Winkelprisma 14 ausgestrahlt und auf die Eingangsfläche 13a der Videokamera 13 scharfgestellt wird.

Die vorstehend beschriebene Ausgestaltung ermöglicht die Anordnung der Festkörper-Videokamera 13 an oder in der Nähe der Mittelachse des Endoskopendstücks 11, wodurch sie im Endstück 11 eine solche Stellung einnimmt, daß ihre größten Abmessungen in dem der größten Breite des Endstücks 11 entsprechenden Bereich liegen. Weil das Winkelprisma 14 in einem freien Raum auf einer Seite der Eingangsfläche 13a der Videokamera 13 angeordnet ist, ist keine Vergrößerung des Durchmessers vom Endstück 11 erforderlich, der somit so klein wie möglich gehalten werden kann.

In Fig. 4 sind das Winkelprisma 14 und das Reflexionsprisma 15 im einzelnen dargestellt, sowie ein vom Objektiv 12 kommender Lichtstrahl b und ein vom Winkelprisma 14 zur Videokamera 13 hin ausgesandter Lichtstrahl a. Werden die Neigungswinkel der reflektierenden Flächen 14a und 14b des Winkelprismas 14 und die reflektierende Fläche des Reflexionsprismas 15 mit α, β bzw. γ bezeichnet, ergibt sich:

Das Winkelprisma 14 und das Reflexionsprisma 15 können miteinander verkittet oder im Abstand voneinander unter Belassung eines kleinen Luftspaltes angeordnet sein. Außerdem kann das Winkelprisma 14 als Abdeckung der Eingangsfläche 13a der Videokamera 13 dienen.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Abwandlung der Ausführungsform entsprechend Fig. IA ist der untere Teil des Winkelprismas 14 gemäß Fig. IA von einem getrennten plattenförmigen Prisma 14' aus einem Werkstoff mit kleinerer Brechzahl gebildet, derart, daß von der reflektierenden Fläche 14b des Winkelprismas 14 zurückgestrahltes Licht an der Grenzfläche der Prismen 14 und 14' eine Totalreflexion erfährt. Die Arbeitsweise ist ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. IA, wobei, wenn das Winkelprisma 14 und das Reflexionsprisma 15 miteinander verkittet sind, die Totalreflexion an der Bodenfläche des Winkelprismas 14 hervorgerufen wird.

Anstelle des Winkelprismas 14 der Ausfuhrungsform gemäß Fig. TA hat die in Fig. 6 dargestellte Abwandlung eine Kombination aus einem Prisma 16, das der Eingangsfläche 13a der Videokamera 13 gegenüber winklig dazu angeordnet ist, und einem Dachkantprisma 17, welches so angeordnet ist, daß es Licht vom Reflexionsprisma 15 auf das Prisma 16 auffallen läßt. Bei dieser abgewandelten Ausführungsform können auch die beiden Prismen 15 und 16 als Dachkantprismen ausgebildet sein. In beiden Fällen ist die Arbeitsweise ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. IA. Bei der Abwandlung gemäß Fig. 6 kann das Prisma 17 anders denn als Dachkantprisma ausgebildet sein, Es kann ein dreieckförmiges Prisma sein, das sich bequem polieren und somit zu geringeren Kosten herstellen läßt. Durch Verändern des Abstandes 1 zwischen den reflektierenden Flächen der Prismen 16 und 17 kann es mit einer Videokamera 13 von beliebigen Abmessungen verwendet werden.

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Die Kombination aus Winkelprisma 14 und Reflexionsprisma 15 der Ausführungsform gemäß Fig. IA ist bei der in Fig. 7 gezeigten Abwandlung durch zwei Prismen 18 und 19 ersetzt, die in der dargestellten Weise angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht es, den Abstand 1 zwischen dem auf die Videokamera 13 auffallenden Lichtstrahl und der ersten reflektierenden Fläche des Prismas 18 gegenüber der abgewandelten Ausführungsform entsprechend Fig. 5 zu vergrößern und somit die Verwendung zusammen mit einer Festkörper-Videokamera von größeren Abmessungen als bei dem Beispiel gemäß Fig. 5 zu ermöglichen.

Bei dem Beispiel gemäß Fig. 8 ist das Prisma 18 entsprechend Fig. 7 durch ein Dachkantprisma 20 ersetzt. Bei beiden Beispielen ist die Arbeitsweise derjenigen der Ausführungsform gemäß Fig. IA ähnlich, mit der Möglichkeit der Verwendung einer Festkörper-Videokamera von größerer Länge. Bei dem Beispiel gemäß Fig. 7 wird durch eine ungerade Anzahl von Reflexionen ein Kehrbild erzeugt, wogegen bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 8 ein aufrechtes Bild erzeugt wird.

Gemäß Fig. 9 ermöglicht die Verwendung von zwei Prismen 21 und 22 eine Reduzierung der Anzahl der Reflexionen gegenüber dem Beispiel entsprechend Fig. 7. Jedes der Prismen, 21 oder 22, kann als Dachkantprisma ausgebildet sein; dadurch wird ein aufrechtes Bild erzeugt.

Die abgewandelte Ausführungsform gemäß Fig. 10 hat drei Prismen 23, 24 und 25. Das Prisma 25 kann ein Dachkantprisma sein. Wenn das Prisma 23 oder das Prisma 24 ein Dachkantprisma ist, wird ein aufrechtes Bild erzeugt.

Die gemäß Fig. 11 abgewandelte Ausführungsform mit zwei Prismen 26 und 27 ist zusammen mit einer Festkörper-Videokamera 13 von größeren Abmessungen verwendbar, weil der Ab-

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stand 1 gegenüber dem Beispiel entsprechend Fig. 5 vergrößert werden kann. Bei jeder der Ausgestaltungen gemäß Fig. bis Π ist die Arbeitsweise ähnlich wie bei der Ausführungsform entsprechend Fig. IA.

Bei dem in Fig. 12 gezeigten Beispiel wird anstelle des Objektivs 12 für Direkt- bzw. Geradeausblick der Ausführungsform gemäß Fig. IA ein Objektiv 28 für Seitenblick mit einem Zwischenprisma 28a verwendet. Ist das Zwischenprisma 28a oder das Reflexionsprisma 15 ein Dachkantprisma, wird ein aufrechtes Bild erzeugt.

Fig. 13 zeigt ein optisches System entsprechend einer zweiten Ausführungsform für ein Endoskop 30. Letzteres ist ein Seitenblick-Endoskop mit einem distalen Endstück 31, in dem ein Objektiv 32 zumindest annähernd rechtwinklig zur Mittelachse des Endstücks 31 angeordnet ist. An oder in der Nähe der Mittelachse des Endstücks 31 ist eine Festkörper-Videokamera 33 angeordnet. Einer Eingangsfläche 33a der Videokamera 33 gegenüber ist winklig dazu eine erste reflektierende Fläche 34a eines Winkelprismas 34 angeordnet, das eine zweite reflektierende Fläche 34b aufweist. Ein durch das Objektiv 32 hindurchgehender Lichtstrahl fällt in das Winkelprisma 34 ein, wird nacheinander von der zweiten und der ersten reflektierenden Fläche 34b bzw. 34a zurückgestrahlt und dann vom Winkelprisma 34 ausgesandt und auf die Eingangsfläche 33a der Videokamera 33 scharfgestellt. Ein aufrechtes Bild wird erzeugt, wenn entweder die erste - 34a oder die zweite reflektierende Fläche 34b des Prismas 34 von einer Dachfläche gebildet ist.

Bei der in Fig. 14 dargestellten Abwandlung der Ausführungsform entsprechend Fig. 13 ist das Objektiv 32 in einen am vorderen Teil eines zweiten Winkelprismas 35 angeordneten ersten Abschnitt 32a und einen am rückwärtigen Teil des Winkelprismas 35 angeordneten zweiten Abschnitt 32b unterteilt,

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um eine relativ große Gesamtlänge des Objektivs 32 unterbringen zu können. Bei jeder der gezeigten Ausgestaltungen gemäß Fig. 13 und 14 ist es möglich, die Videokamera 33 in der Nähe der Mittelachse des Endoskopendstücks 31 anzuordnen, weil, bezogen auf die Endoskopmittelachse, die optische Achse des Objektivs 32 zuerst seitlich zu einer Seite der Eingangsfläche 33a hin verläuft und dann zur reflektierenden Fläche hin einfällt, welche der Eingangsfläche 33a gegenüber winklig dazu angeordnet ist.

Bei dem in Fig. 15 dargestellten optischen System für ein Endoskop gemäß einer dritten Ausführungsform ist das Objektiv für Schrägblick ausgelegt und hat ein Prisma 36. Zum optischen System gehört ferner ein Prisma 37, das über der Eingangsfläche 33a angeordnet ist.

Fig. 16 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 15 mit Prismen 38 und 39. Jede der Ausgestaltungen gemäß Fig. 15 und 16 ist auf ein Schrägblick-Endoskop .anwendbar und ermöglicht die Anordnung der Festkörper-Videokamera 33 in der Nähe der Mittelachse des distalen Endoskopendstücks. Die Ausgestaltungen entsprechend Fig. 14, 15 und 16 enthalten Prismen, die keine Dachflächen aufweisen; es ist somit bei Senkung der Kosten möglich, ein aufrechtes Bild zu erzeugen.

Fig. 17 zeigt eine weitere Abwandlung der abgewandelten Ausgestaltung entsprechend Fig. 16, bei der bestimmte Bauteile des Objektivs zwischen Prismen 16 und 17 angeordnet sein können, um eine größere Gesamtlänge des Objektivs unterbringen zu können.

Gemäß Fig. 18 ist im distalen Endstück eines Endoskops an dessen Mittelachse eine Festkörper-Videokamera 40 mit leichter Schrägstellung angeordnet, die es ermöglicht, bei Verwendung eines einzigen Prismas 41 Lichtstrahlen vom

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zugehörigen Objektiv auf die Eingangsfläche der Videokamera 40 auffallen zu lassen. Durch die Verwendung eines einzigen Prismas 41 werden die erforderlichen Kosten herabgesetzt, und es wird ein positives Bild erzeugt. Das Prisma 41 kann aus gefärbtem Glas sein und als Farbtemperatur-Umwandlungsfilter dienen.

Wenn bei jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eine Eingangsfläche der Festkörper-Videokamera in einem größeren Abstand vom Objektiv angeordnet ist, derart, daß eine Bündelung von Licht aus dem Objektiv auf die Eingangsfläche verhindert wird, können zwischen das Objektiv und die Eingangsfläche eine oder mehrere Relaislinsen zwischengeschaltet sein, um die Scharfstellung des Bildes auf die Eingangsfläche zu ermöglichen.

Bei einem von einer Festkörper-Videokamera erzeugten Bild besteht die Gefahr, daß sich Moireränder bilden. Das Entstehen solcher Moireränder kann verhindert werden, wenn wenigstens eines der im Strahlengang angeordneten Prismen aus einem doppeltbrechenden Werkstoff, z.B. Quarz, ist. Eine andere Möglichkeit, das Entstehen von Moirerändern zu unterbinden, besteht darin, auf wenigstens eine Fläche des Prismas Phasenfilme, die eine Phasendifferenz im wesentlichen gleich einem ungeraden Mehrfachen der halben Wellenlänge aufweisen, entsprechend Fig. 19 in Form von feinen Punkten in zufälliger Anordnung aufzudampfen, derart, daß diese Punkte insgesamt den halben Inhalt der Fläche ausmachen.

Außerdem können unerwünschte Infrarotstrahlen ausgeschaltet werden, wenn wenigstens eines der im Strahlengang angeordneten Prismen aus einem infrarotabsorbierenden Glas ist oder auf wenigstens eine seiner Flächen eine infrarotreflektierende Beschichtung aufgebracht ist.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind, um eine Reflexion von Lichtstrahlen aus dem Objektiv hervorzurufen, ein oder mehrere Prismen verwendet, an deren Stelle auch Spiegel benutzt werden können.

Claims

PATENTANWÄLTE ; ; . , . dr.-ing. franz tuesthoff WUESTHOFF-v. PECHMANN -BEHRENS-GOETZ "»-""«-.freda ^eithoff (ι,ϊ7-»95«) DIPL-ING. GERHARD PULS (1952-1971) * EWROPEAN PATENTATTORNEYS d.pl.-chem.dr. e. Freiherr von pechmann _ — λ /-. ρ. /-ν Q DR.-ING. DIETER BEHRENS vj OZdUiU DIPL.-ING.; DIPL.-MriRTSCH.-ING. RUPERT GOETZ TA-59 605 D-800C MÜNCHEN Olympus Optical Company Ltd., schweigerstrasse2 Tokyo, Japan telefon: (089)6620 ji TELEGRAMM: PROTECTPATENT TELEX: 524070 Patentansprüche :

1.; Optisches System für ein Endoskop, in dessen distalem Endstück ein Objektiv und eine Festkörper-Videokamera so angeordnet sind, daß ein vom Objektiv erzeugtes Bild außerhalb abgeleitet werden kann,
dadurch gekennzeichnet , daß

- die Festkörper-Videokamera (13) an oder in der Nähe der Mittelachse des distalen Endstücks (11) des Endoskops (10) angeordnet ist,

- einer Eingangsfläche (13a) der Videokamera (13) gegenüber winklig dazu eine reflektierende Fläche (14a) angeordnet ist, und

- vor oder im Objektiv (12) oder zwischen dem Objektiv (12) und der reflektierenden Fläche (14a) eine Ablenkvorrichtung so angeordnet ist, daß ein vom Objektiv (12) erzeugtes Bild auf die Eingangsfläche (13a) der Videokamera (13) scharfstellbar ist.

2. System nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß auf wenigstens eine Fläche eines Prismas oder auf die reflektierende Fläche (14a) ein Phasenfilm mit einer Phasendifferenz, die einem ungeraden Mehrfachen der halben Wellenlänge zumindest annähernd gleich ist, aufgebracht ist..

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3. System nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß von den im Strahlengang angeordneten Prismen wenigstens eines aus einem infrarotabsorbierenden Glas hergestellt ist oder wenigstens eine Fläche hat, die mit einer infrarotreflektierenden Beschichtung versehen ist, um unnötige Infrarotstrahlen zu beseitigen.

4. System nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß entweder die reflektierende Fläche (14a) oder die Ablenkvorrichtung ein Prisma aus einem doppeltbrechenden Werkstoff aufweist.