DE3838168A1

DE3838168A1 - Optisches bilduebertragungssystem

Info

Publication number: DE3838168A1
Application number: DE19883838168
Authority: DE
Inventors: Iwao Kanamori
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1987-11-10
Filing date: 1988-11-10
Publication date: 1989-05-24
Also published as: JPH01124810A; DE3838168C2

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Bildübertragungssystem zur Verwendung in nicht-flexiblen Endoskopen wie beispielsweise Endoskopen flexibler Bauart mit einem nicht-flexiblen Abschnitt, nicht-flexiblen medizinischen Endoskopen, nicht-flexiblen Industrie-Fiberscopen, Videoskopen mit eingebauten Festkörper-Bildsensoren oder ähnlichen Einrichtungen und nicht-flexiblen Videoskopen.

Ein bekanntes optisches System, das als optisches Bildübertragungssystem in einem optischen Instrument, wie beispielsweise einem nicht-flexiblen Endoskop, zur Übertragung des Bildes eines Gegenstandes verwendet wird, hat den in (Fig.) 1 gezeigten Aufbau. Dieses optische Bildübertragungssystem umfaßt eine Vielzahl von Relaislinseneinheiten, von denen jede aus symmetrisch bezüglich einer Ebene 15 angeordneten stabförmigen Linsen 13 und 13′ zusammengesetzt ist. Dieses bekannte Bildübertragungssystem überträgt ein Bild von der linken Seite zur rechten Seite (bezogen auf Fig. 1), indem sie das Bild des Gegenstandes refokussiert, und die anderen Relaislinseneinheiten die Refokussierung fortgesetzt wiederholen. Es ist möglich ein Bild über eine gewünschte Distanz zu übertragen, wenn eine dazu ausreichende Anzahl von Relaislinseneinheiten aus stabförmigen Linsen 13 und 13′ vorgesehen ist. Dieses optische System hat seine Pupille am Ort der Ebene 15. Folglich wird auch dann ein Bild übertragen, wenn eine große Anzahl von Relaislinseneinheiten vorgesehen ist, wobei Bilder der Pupillen an den Orten der Ebenen 15 geformt werden.

Dieses optische Bildübertragungssystem hat einen einfachen Aufbau: es kann jedoch Aberrationen nicht ausreichend günstig korrigieren, bzw. es erzeugt erhebliche negative sphärische Aberration und Astigmatismus, wodurch die Bildqualität verschlechtert wird.

Ein bekanntes Bildübertragungssystem mit dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau ist dahingehend angepaßt, daß es den Mangel des oben beschriebenen optischen Systems behebt. In diesem optischen Bildübertragungssystem sind die stabförmigen Linsen, die das in Fig. 1 gezeigte optische System bilden, als gekittelte Linsen mit Kittflächen an den der Ebene 15 benachbarten Seiten ausgebildet. Ferner ist ein Meniskuslinsenpaar mit einander gegenüberliegenden konkaven Flächen zwischen den stabförmigen Linsen angeordnet, so daß das gesamte Relaislinsensystem symmetrisch zu der Ebene 15 ist.

Das in Fig. 2 gezeigte optische Bildübertragungssystem kann Aberrationen günstig korrigieren, da die in der Nähe der Pupille angeordeten Kittflächen eine negative Brechwirkung haben, um die sphärische Aberration zu korrigieren (bei der Pupille ist die Strahlenhöhe groß), und da das aus einander gegenüberliegenden Linsen gebildete Meniskuslinsenpaar astigmatismuskorrigierend wirkt.

Dieses optische Bildübertragungssystem hat jedoch eine große Anzahl von in Kontakt mit Luft stehenden Linsenflächen (z. B. acht Linsenflächen pro Relaislinseneinheit), wodurch das Problem von Reflektionen an diesen Linsenflächen auftritt. Bei Verwendung einer großen Anzahl von Relaislinseneinheiten in diesem optischen Bildübertragungssystem wird die Lichtmenge infolge der Reflektionen vermindert, und Bilder werden durch uneinheitliche spektrale Reflektanz der Relaislinseneinheiten verfärbt, was einen Mangel des optischen Systems darstellt.

Das optische Bildübertragungssystem umfaßt ferner eine große Anzahl von Linsen und erfordert einen zeitaufwendigen Zusammenbau. Darüberhinaus wird bei Exzentrizität der Meniskuslinsen die Bildqualität erheblich beeinflußt, und ein geringfügiger Fehler beim Zusammenbau wird ein unerwünschtes Verschwimmen der Bilder und eine Abdunklung der Pupille zur Folge haben.

Es sind auch optische Bildübertragungssysteme mit asphärischen Linsenflächen bekannt (z. B. aus der U. S. P. Nr. 45 45 652), die den Fehler des in Fig. 2 gezeigten optischen Bildübertragungssystems korrigieren. Zur günstigen Korrektur der Petzvallsumme umfassen die optischen Bildübertragungssysteme mit asphärischen Flächen eine gekittete Linse, bestehend aus einer konvexen Linse mit einem hohen Brechungsindex und einer konkaven Linse mit niedrigem Brechungsindex. Die durch die Kittfläche (sphärische Fläche) der gekitteten Linse erzeugte sphärische Aberration wird durch eine asphärische Fläche auf einer sich von der Kittfläche unterscheidenden Linsenfläche der gekitteten Linse korrigiert. In dem in Fig. 3 gezeigten optischen Bildübertragungssystem sind gekittete Linsenflächen symmetrisch bezüglich der Bildebene und der Pupillenebene angeordnet. Eine stabförmige Linse (20) ist aus einer bikonvexen Linse 23 mit großem Brechungsindex und bikonkaven Linsen 21 und 22 mit kleinem Brechungsindex zusammengesetzt, wobei die bikonkaven Linsen 21, 22 an der bikonvexen Linse 23 angekittet sind. Flächen 20 a und 20 b der stabförmigen Linse sind als asphärische Flächen ausgebildet und bestehen aus Bereichen, deren Krümmung zunimmt, je weiter die Bereiche von dem Flächenzentrum in Richtung der Peripherie entfernt sind. Bis auf die Flächen 20 a und 20 b sind die Linsenflächen sphärisch.

In dem in Fig. 3 gezeigten optischen Bildübertragungssystem sind eine Vielzahl von stabförmigen Linsen 20 zur Bildung einer Relaislinseneinheit zusammengesetzt. Zwei Relaislinseneinheiten werden als Relaislinsensystem verwendet, welches ein aufrechtes Bild in ein invertiertes Bild (oder umgekehrt) konvertiert.

Das in Fig. 4 gezeigte optische Bildübertragungssystem umfaßt gekittete Linsen 30, von denen jede aus einer konvexen Linse 31 mit hohem Brechungsindex und einer konkaven Meniskuslinse 32 mit niedrigem Brechungsindex besteht. Eine Fläche 30 a dieser gekitteten Linse ist als eine asphärische Fläche ausgebildet und besteht aus Bereichen, deren Krümmung schwächer wird, je weiter die Bereiche vom Zentrum der Fläche entfernt sind. Vier gekittete Linsen 30 werden zur Bildung einer Relaislinseneinheit verwendet.

Das in Bild 5 gezeigte optische Bildübertragungssystem umfaßt gekittete Linsen 40, von denen jede aus einer bikonvexen Linse 42 mit hohem Brechungsindex und konkaven Linsen 41 und 43 mit niedrigem Brechungsindex besteht. Flächen 40 a und 40 b dieser gekitteten Linsen sind als aspärische Flächen ausgebildet und bestehen aus Bereichen, deren Krümmung abnimmt, je weiter die Bereiche vom Zentrum der Fläche entfernt sind. Zwei gekittete Linsen 20 werden zur Bildung einer Relaislinseneinheit verwendet. An beiden Seiten des eine Vielzahl von Relaislinseneinheiten umfassenden Gesamtlinsensystems sind gekittete Linsen 40′ angeordnet. Diese gekitteten Linsen 40′ entsprechen Hälften der gekitteten Linse 40.

In dem in Fig. 6 gezeigten optischen Bildübertragungssystem ist an jeder Seite eines stabförmigen Glasblocks 55 eine gekittete Linse 50 bestehend aus einer bikonvexen Linse 51 mit hohem Brechungsindex und einer bikonkaven Linse 52 mit niedrigem Brechungsindex angeordnet. Der Glasblock hat auf beiden Seiten ebene Flächen. Die Linse 50 hat eine asphärische Fläche 50 a, bestehend aus Bereichen, deren Krümmung stärker wird je weiter die Bereiche von der Linsenmitte entfernt sind. Vier gekittete Linsen 50 und zwei stabförmige Linsen bilden eine Relaislinseneinheit. Bei dem oben beschriebenen bekannten Beispiel sind die asphärischen Flächen auch in der Nähe von Bildern angeordnet: an derartigen Stellen lokalisierte asphärische Flächen dienen jedoch nicht zur Korrektur von sphärischer Aberration.

Fig. 10 und Fig. 11 zeigen Kurven, die die Aberrationscharakteristiken des in Fig. 4 dargestellten bekannten optischen Bildübertragungssystems veranschaulichen. Die Kurven wurden auf der Basis der in der Patentbeschreibung dieses bekannten Beispiels (U. S. P. 45 45 652) angegebenen numerischen Daten gezeichnet. Die in Fig. 10 gezeigten Kurven stellen die unmittelbar auf die numerischen Daten zurückgeführten Aberrationscharakteristiken dar, wohingegen die in Fig. 11 gezeigten Kurven auf der Grundlage von Berechnungen gezeichnet sind, wobei für diese Berechnungen angenommen wurde, daß die asphärischen Flächen sphärische Flächen sind. Für die Darstellung der Kurven in Fig. 10 und Fig. 11 wurde die Bildhöhe auf 1 normiert.

Ein Vergleich zwischen Fig. 10 und Fig. 11 stellt klar, daß die in diesen Zeichnungen dargestellten Aberrationscharakteristiken im wesentlichen auf gleichem Niveau sind bzw. keine signifikanten Unterschiede aufweisen. Es ist daher festzustellen, daß durch die Verwendung der asphärischen Flächen nahezu kein Effekt zur Korrektur von Aberrationen erzeilt worden ist.

Ein Ziel der Erfindung ist es ein optisches Bildübertragungssystem mit einer Vielzahl von Linsenkomponenten für nichtflexible Endoskope anzugeben, das Astigmatismus, sphärische Aberration und andere Aberrationen durch effiziente Nutzung asphärischer Linsen in dem optischen System gut korrigiert.

Das Bildübertragungssystem nach der Erfindung umfaßt eine Vielzahl von Linsenkomponenten, verwendet sphärische Linsenflächen zur Korrektur sphärischer Aberration an Positionen in der Nähe der Pupille des optischen Systems und asphärische Linsenflächen an Positionen in der Nähe eines Gegenstandes oder eines Bildes und ist dahingehend abgeglichen, daß es sphärische Aberration und Astigmatismus unabhängig korrigiert. Ferner ist das optische Bildübertragungssystem nach der Erfindung so ausgebildet, daß die aberrationskorrigierende Wirkung vergrößert wird, indem eine solche bestimmte Form für die asphärische Fläche gewählt wird, daß man eine Beziehung zur Wahl der Brechungsindizes vor und hinter der Fläche erhält. Das optische Bildübertragungssystem kann Aberrationen sehr gut korrigieren.

Wenn die asphärische Fläche in der Nähe eines Gegenstandes und an einer Stelle angeordnet ist, an der das Licht von einem Medium mit kleinem Brechungsindex zu einem anderen Medium mit großem Brechungsindex fortschreitet (wenn das Medium auf der Eintrittsseite der asphärischen Fläche einen kleineren Brechungsindex hat als das Medium auf der Austrittsseite der asphärischen Linse), umfaßt die asphärische Fläche Bereiche, deren Krümmung graduell abnimmt, je weiter diese Bereiche vom Zentrum der Fläche entfernt sind. Wenn dagegen die asphärische Fläche in der Nähe eines Gegenstandes und an einer Stelle angeordnet ist, an der das Licht von einem Medium mit großem Brechungsindex zu einem anderen Medium mit kleinem Brechungsindex fortschreitet (wenn das Medium auf der Eintrittsseite der asphärischen Fläche einen größeren Brechungsindex hat als das Medium auf der Austrittsseite) umfaßt die asphärische Fläche Bereiche, deren Krümmung graduell zunimmt, je weiter sie vom Zentrum der der Fläche entfernt sind. Wenn die asphärische Fläche in der Nähe eines Bildes und an einer Stelle angeordnet ist, an der das Licht von einem Medium mit einem großen Brechungsindex zu einem anderen Medium mit einem kleinen Brechungsindex fortschreitet (wenn das Medium auf der Eintrittsseite der asphärischen Fläche einen größeren Berechungsindex hat als das Medium auf der Austrittsseite) umfaßt die asphärische Fläche Bereiche, deren Krümmung graduell schwächer wird, je weiter die Bereiche vom Zentrum der Fläche entfernt sind. Wenn die asphärische Fläche in der Nähe eines Bildes und an einer Stelle angeordnet ist, an der das Licht von einem Medium mit einem kleinen Brechungsindex zu einem anderen Medium mit einem großen Brechungsindex fortschreitet (wenn das Medium auf der Eintrittsseite der asphärischen Fläche einen kleineren Brechungsindex hat als das Medium auf der Austrittsseite), umfaßt die asphärische Fläche Bereiche, deren Krümmung graduell stärker wird, je weiter die Bereiche vom Zentrum der Fläche entfernt sind.

Das optische Bildübertragungssystem nach der Erfindung hat den in Fig. 7 dargestellten grundlegenden Aufbau und umfaßt, in der Reihenfolge ausgehend von dem Bild 1 auf der Objektseite über eine Pupillenlage 5 zum Bild 2 auf der Bildseite, ein aus einem bikonkaven Linsenelement 3 und einer konkaven Meniskuslinse 4 bestehendes gekittetes Doublet und ein weiteres gekittetes Doublet, bestehend aus einer konkaven Meniskuslinse 4′ und einer bikonvexen Linse 3′. Die Doublet-Komponenten sind symmetrisch zu der Pupillenlage 5 angeordnet. Die Fläche 3 a des Linsenelementes 3 und die Fläche 3 a′ des Linsenelementes 3′ sind als asphärische Flächen ausgebildet. Diese asphärischen Flächen umfassen Bereiche, deren Krümmungen abnehmen, je weiter die Bereiche vom Zentrum der Flächen entfernt sind. Die Fläche 3 a ist in der Nähe eines Objektes (in diesem Fall des Bildes 1) an einer Stelle angeordnet, an der das Licht von einem Medium mit kleinem Brechungsindex (Luft) zu einem anderen Medium mit großem Brechungsindex (Linse 3) fortschreitet. Ferner ist die Fläche 3 a′ in der Nähe des Bildes 2 an einer Stelle angeordnet, an der das Licht von einem Medium mit großem Brechungsindex (Linsenelement 3′) zu einem anderen Medium mit kleinem Brechungsindex (Luft) fortschreitet. Daher sind diese Flächen als asphärische Flächen mit Bereichen ausgebildet, deren Krümmung abnimmt, je weiter diese Bereiche von den Zentren der Flächen entfernt sind.

Außerdem haben die gekitteten Flächen (3 b, 4 a) und (4 a′, 3 b′) die Funktion, die sphärische Aberration zu korrigieren. Durch Ausbilden der sphärischen Flächen zur Korrektur der sphärischen Aberration als gekittete Flächen kann die Anzahl mechanischer Teile, wie beispielsweise Abstandsringe (engl.: spacing rings), verkleinert werden, wodurch der Zusammenbau vereinfacht wird. Die Ausbildung vermindert ferner die Anzahl beschichteter Flächen (die in Kontakt mit Luft stehenden Flächen) pro Relaislinseneinheit, wodurch weniger gefärbte, gute Bilder erhalten werden.

Mit den Bezeichnungen
Φ k für die Brechkraft (engl.: power) der gekitteten Fläche und
f für die Brennweite der Relaislinseneinheit
ist es in diesem Fall anzustreben, die nachstehenden Bedingungen (1) und (2) zu erfüllen.

(1) Φ k<0

(2) Φ k · f0

Wenn eine konvexe Linse mit kleinem Brechungsindex an eine konkave Linse mit großem Brechungsindex angekittet ist, um sphärische Aberration in dem optischen Bildübertragungssystem nach der Erfindung zu korrigieren, ist es zweckmäßig die Kittfläche so auszubilden ist, daß man ein nagetiver Wert:

Φ k =(n′ -n)/r

erhält, worin
r den Radius der Kittfläche und
n bzw. n′ die Brechungsindizes auf der Objektseite bzw. auf der Bildseite bezeichnen.

Ferner ist die Brennweite der Relaislinseneinheit in einem afokalen Linsensystem mit idealer Bild- und Pupillenübertragung unendlich. Wenn jedoch asphärische Flächen auf den in der Nähe der Pupille angeordneten Linsenelementen zur Übertragung der Pupille verwendet werden, wie bei dem optischen Bildübertragungssystem nach der Erfindung, wird die Pupille infolge der durch die Abweichung der Randbereiche der asphärischen Fläche von der sphärischen Fläche erzeugten Pupillenaberration nicht normal übertragen. Demzufolge ist die Pupille nach mehrmaliger Weitergabe des Bildes abgedunkelt. Wenn das optische System derart gestaltet ist, daß es die durch die obenerwähnten Randbereiche der asphärischen Flächen erzeugte Pupillenaberration korrigiert, wird die Krümmung der asphärischen Flächen klein, und die Relaislinseneinheit hat eine negative Brennweite f, wie in dem Fall eines im folgenden noch beschriebenen Ausführungsbeispiels. Daher muß ein Produkt Φ, f positiv sein. Die Bedingung (2) definiert diese Forderung.

Für das Bildübertragungssystem nach der Erfindung ist es zweckmäßig, daß der Koeffizient des Astigmatismus dritter Ordnung A _s der in der Nachbarschaft der Pupille angeordneten sphärischen Fläche und der Koeffizient des Astigmatismus dritter Ordnung A _SA der in der Nachbarschaft des Bildes angeordneten asphärischen Fläche die nachstehenden Bedingungen (3) und (4) erfüllen:

(3) A _S · A _SA<0

(4) |A _S/A _SA|=1

Im Falle mehrerer in der Nachbarschaft der Pupille angeordneter sphärischer Flächen repräsentiert der Astigmatismuskoeffizient A _S eine Gesamtsumme der Koeffizienten dieser Flächen. Der Astigmatismuskoeffizient der asphärischen Fläche ist in eine Komponente für deren konische Fläche und eine Komponente für die Restfläche unterteilt. Der Astigmatismuskoeffizient A _SA bezeichnet den Astigmatismuskoeffizienten der letzteren Komponente. Wenn mehrere asphärische Flächen in der Nähe des Bildes angeordnet sind, gibt der Astigmatismuskoeffizient eine Gesamtsumme der Koeffizienten der asphärischen Flächen an.

Eine quantitative Beschreibung der Form der zur Astigmatismuskorrektur verwendeten asphärischen Fläche wird nachstehend angegeben.

Mit den Bezeichnungen:
x für die Richtung der optischen Achse (die Richtung zum Bild hin wird als positiv angenommen),
y für eine Richtung senkrecht zur optischen Achse
und mit dem Schnittpunkt zwischen der asphärischen Fläche und der optischen Achse als Ursprung lautet die Formel für die Formen allgemeiner asphärischer Flächen:

x =|Cy² / 1+√-pC²y²|+By²+ Ey⁴+Ey⁴+Fy⁶+Gy⁸+. . .

worin
C den Kehrwert des Krümmungsradius eines Berührungskreises der asphärischen Fläche in der Nachbarschaft der optischen Achse
p eine Kegelschnittkonstante und
B, E, F, G, . . . asphärische Flächenkoeffizienten zweiter Ordnung, vierter Ordnung, sechster Ordnung bzw. achter Ordnung . . . bezeichnen.

Falls p =1 und B =E =F =G = . . . =0, dann wird durch die oben erwähnte Formel einen Kreis beschrieben.

Ferner ist der Seidel'sche Aberrationskoeffizient gemäß den folgenden Formeln (i) und (ii) definiert:

Für den meridionalen Strahl ( =0):

Δ Y =(SA₃) ³+(CMA3) ²

+{AST3)+(PTZ3)} ²+(DIS3) ³

+(SA5) ⁵+(CMA5) ⁴ +(TOBSA) ³ ²

+(ELCMA) ² ³+{5(AST5)+(PTZ5)}

+(DIS5) ³+(SA7)′ (i)

Für den sagittalen Strahl ( =0):

Δ Z =(SA3) ³+{(AST3)+(PTZ)} ²

+(SA5) ⁵+(SOBSA) ² ²

+(AST5)+(PTZ5)} ⁴+(SA7) ⁷ (ii)

In Formel (i) bezeichnet
Δ Y die Abweichung zwischen dem paraxialen Bildpunkt (den Bildpunkt im aberrationsfreien Zustand) und den tatsächlichen Bildpunkt für den meridionalen Strahl.
Y die auf die maximale Bildhöhe normierte Eintrittsstelle des paraxialen Hauptstrahls auf der Bildebene und
H die auf den Pupillendurchmesser normierte Eintrittsstelle des Randstrahls auf der Pupillenebene.

Ferner bezeichnen

SA3. SA5 bzw. SA7
sphärische Aberrationen dritter, fünfter bzw. siebenter Ordnung.
CMA3 bzw. CMA5	tangentiales Koma dritter bzw. fünfter Ordnung,
AST3 bzw. AST5	Astigmatismus dritter Ordnung bzw. fünfter Ordnung
PTZ3 bzw. PTZ5	Petzvalsummen dritter Ordnung bzw. fünfter Ordnung,
DIS3 bzw. DIS5	Verzeichnung dritter Ordnung bzw. fünfter Ordnung,
TOBSA	tangentiale asphärische Queraberration fünfter Ordnung,
ELCMA	elliptisches Koma fünfter Ordnung und
SOBSA	sagittale sphärische Queraberration fünfter Ordnung.

Die durch die oben angegebenen Formeln (i) und (ii) ausgedrückten Aberrationskoeffizienten entsprechen denen, die in dem Linsengestaltungsprogramm ACCOS-V (general purpose lens designing program ACCOS-V) verwendet werden. Mit den Bezeichnungen OB für den Abstand zum Objekt, NA für die numerische Apertur für den Randstrahl und n₀ für den Brechungsindex des auf der Objektseite der ersten Linsenfläche liegenden Mediums wird die Höhe H₀ des paraxialen Strahles auf der ersten Linsenfläche in dem Programm ACCOS-V jedoch durch die folgende Formel determiniert:

H₀=OB ×tan (sin^-1 (NA/n₀))

In der vorliegenden Erfindung wird die Strahlenhöhe H₀ dagegen durch die folgende Formel ausgedrückt:

H₀=OB ×NA/n₀

Demgemäß werden die Aberrationskoeffizienten bei der vorliegenden Erfindung durch Verfolgen des paraxialen Strahlenverlaufs auf der Basis der durch die letztere Formel bestimmten Höhe H₀ determiniert.

Durch Verwendung der asphärischen Fläche mit Bereichen graduell abnehmender Krümmung je weiter die Bereiche vom Zentrum entfernt sind, kann Astigmatismus korrigiert werden, da dieser in enger Beziehung zur Petzvalsumme in den oben angeführten Formeln (i) und (ii) steht. Wenn man Petzvalsummen der höheren Ordnungen in den Randbereichen der asphärischen Fläche in Betracht zieht, kann man feststellen, daß die Petzvalsummen der oben erwähnten asphärischen Fläche zur negativen Seite hin variieren, wodurch Astigmatismus reduziert wird.

Die Auswahl eines negativen Produktes von A _S · A _SA entsprechend der oben angeführten Bedingung (3) für das optische Bildübertragungssystem nach der Erfindung liegt darin begründet, daß es bei einem solchen Produkt möglich ist, den von der sphärischen Fläche erzeugten Astigmatismus durch den von der asphärischen Fläche erzeugten Astigmatismus aufzuheben. Wenn die Bedingung (3) nicht erfüllt ist oder wenn das Produkt A _S · A _SA positiv ist, wird der Astigmatismus in unerwünschter Weise verstärkt. Wenn |A _S/A _SA| entsprechend der oben angeführten Bedingung (4) auf einen nahe bei 1 liegenden Wert bemessen wird, ist es möglich, Astigmatismus wirksam zu korrigieren, so daß der Astigmatisamus Null wird. Wenn |A _S/A _SA| einen von 1 weit entfernt liegenden Wert hat, wird es unmöglich sein, den Astigmatismus ausreichend zu korrigieren, auch wenn die Bedingung (3) erfüllt ist.

In der Praxis (Zielwerte des korrigierten Astigmatismus sind in der Praxis variabel) ist es ausreichend, daß die Werte von |A _S/A _SA| in dem durch die folgende Bedingung (4′) angegebenen Bereich liegen:

(4′) 0,01<|A _S/A _SA|<100

In dem Korrekturfall, daß die Position der sagittalen Bildebene D _S und die Position der meridionalen Bildebene D _M beispielsweise in einer Beziehung von D _S=D _M stehen, hat |A _S/A _SA| einen Wert von näherungsweise 1, und Astigmatismus wird Null. Aufgrund der Bildwölbung können die Mitte des Bildes und Randbereiche des Bildes jedoch nicht gleichzeitig in Fokussierung gebracht werden. In solch einem Fall werden jedoch die Randbereiche bei einer bestimmten Objektposition in Fokussierung gebracht. Eine solche Astigmatismuskorrektur wird vorteilhaft sein, wenn nur die Randbereiche eines Objektes durch ein Endoskop betrachtet werden sollen.

Wenn Astigmatismus dahingehend korrigiert wird, daß man eine Beziehung von D _S=-D _M erhält, hat |A _S/A _SA| einen Wert von näherungsweise 0,5, und es wird eine mittlere Ebene zwischen Bildmitte und Randbereichen passend ausgewählt. Daher wird ein nicht-flexibles Endoskop mit relativ geringer Helligkeit und einer großen Schärfentiefe (engl.: depth of field) nicht durch Astigmatismus beeinflußt, so daß ein von der Mitte bis zu den Randbereichen von Bildwölbung freies und scharfes Bild eines ebenen Objektes geformt werden kann. Bei mehrmaliger Weiterleitung bzw. fortgesetzter Übertragung des Bildes wird sich der Astigmatismus jedoch erheblich verstärken. In einem solchen Fall sollte nach mehrmaliger Bildweiterleitung eine gesamte Bildebene gleichzeitig an der Bildmitte und an den Randbereichen in Fokussierung gebracht werden. Ferner sollten Astigmatismus und Bildwölbung vollständig beseitigt werden, indem die Linsenflächen so kombiniert werden, daß eine Beziehung von DS=K · DM (K bezeichnet einen wählbaren Koeffizienten) erzielt wird, um Astigmatismus und Bildwölbung insgesamt zu korrigieren. Es ist in jedem Fall wünschenswert, die Bedingung (4′) zu erfüllen. Falls |A _S/A _SA| in der Bedingung (4′) kleiner als 0,01 ist, wird Astigmatismus überkorrigiert. Falls |A _S/A _SA| größer als 100 ist, wird Astigmatismus überkorrigiert. Falls |A _S/A _SA| größer als 100 ist, wird Astigmatismus unterkorrigiert, und die Astigmatismusdifferenz wird erheblich vergrößert, was eine unerwünschte Verminderung der Bildqualität zur Folge hat.

Dann wird der Koeffizient A _S, der infolge der Abweichung der j-ten asphärischen Fläche von der sphärischen Fläche erzeugten Aberration dritter Ordnung (z. B. der Koeffizient bei P =1 und B =0) durch die folgende Formel (iii) ausgedrückt:

A _j=8 ha² · hb² E (N _{j +1}) (iii).

worin
ha bzw. hb die Höhe des paraxialen Strahles bzw. des paraxialen Hauptstahls auf der j-ten Fläche.
E den asphärischen Flächenkoeffizienten vierter Ordnung der j-ten Fläche und
N _j bzw. N _{j +1} den Brechungsindex des Mediums auf der Objektseite bzw. des Mediums auf der Bildseite der j-ten Fläche bezeichnen.

Demgemäß ist aus der Formel (iii) eine Beziehung zwischen dem Koeffizienten des Astigmatismus dritter Ordnung A _SA und dem asphärischen Flächenkoeffizienten vierter Ordnung E herzustellen. Eine solche Beziehung ist nachstehend unter (5) angegeben:

(5) E = -A _SA/8 (N _{j +1}) ha²+hb²

Bei dem optischen System nach der Erfindung ist es zweckmäßig, daß der asphärische Flächenkoeffizient vierter Ordnung E der folgenden Bedingung (6) genügt:

(6) 0,1<|E/I² · NA|<0,001

worin
I die Bildhöhe und NA die numerische Apertur bezeichnet.

Falls |E/I² · NA| in Bedingung (6) größer als 0,1 ist, wird der Astigmatismus überkorrigiert und in unerwünschter Weise verstärkt, wenn die Anzahl der Bildweiterleitungen erhöht wird.

Wenn dagegen |E/I² · NA| kleiner als 0,001 ist, dann wird der Astigmatismus überkorrigiert und in unerwünschter Weise verstärkt, wenn die Anzahl der Bildweiterleitungen erhöht wird.

Gleichermaßen sollte der Koeffizient sechster Ordnung F der folgenden Bedingung (7) genügen:

(7) 1×10^-4<|F/I² · NA|<1×10^-10

Wenn |F/I² · NA| in der Bedingung (7) größer als 1×10^-4 oder kleiner als 1×10^-10 ist, dann tritt aus dem bereits im Zusammenhang mit der Bedingung (6) genannten Grund unerwünschter Astigmatismus auf.

In optischen Bildübertragungssystemen werden Luftabstände durch optische Materialien ersetzt, um die numerischen Aperturen der Linseneinheiten zu erhöhen, damit eine maximal mögliche Lichtmenge übertragen wird. In diesem Sinne ist es zweckmäßig, das konvexe Linsenelement mit der positiven Funktion in dem Bildübertragungssystem nach nach der Erfindung als stabförmiges Linsenelement auszubilden, dessen Länge um ein Mehrfaches größer ist als der Durchmesser. Das stabförmige Linsenelement kann ferner als stabförmiger Block mit ebenen Flächen auf beiden Seiten ausgebildet sein. Durch ein an einer Stelle in der Nähe der Pupille an das stabförmige Linsenelement angekittetes konkaves Meniskuslinsenelemente ist es ferner möglich, die sphärische Aberration gut zu korrigieren, die Anzahl von Teilen wie beispielsweise Linsenabstandsringen zu reduzieren und den Zusammenbau von Linsenelementen zu erleichtern. Das Ankitten des konkaven Meniskuslinsenelementes führt auch zur dauerhaften Stabilisierung der optischen Eigenschaften nach dem Zusammenbau und verhindert Bildverfärbungen durch die Antireflexionsbeschichtung.

Das Pressen (engl.: molding) von Glas oder Kunststoffmaterialien ist unter dem Gesichtspunkt der Herstellungskosten allgemein für die Herstellung asphärischer Linsen vorzuziehen. Insbesondere sind Linsen aus gepreßten (bzw. gegossenen) Glasmaterialien vorzuziehen, da diese eine größere chemische Resistenz aufweisen als Linsen, die aus Kunststoffmaterialien geformt sind.

Im Vergleich mit dem Schleifen ist das Pressen jedoch nur für eine begrenzte Auswahl optischer Materialien anwendbar und gestattet keine freie Wahl des Brechungsindex, des Dispersionsvermögens, usw.. Wenn das stabförmige Linsenelement mit der asphärischen Fläche durch Pressen (bzw. Gießen) von Glas oder Kunststoff hergestellt ist, hat die Abbe'-Zahl aufgrund der Materialbeschränkung einen kleinen Wert, und es wird chromatische Aberration erzeugt. Die chromatische Aberration kann nicht durch das an das stabförmige Linsenelement angekittete konkave Meniskuslinsenelement korrigiert werden. Falls auch das oben erwähnte konkave Meniskuslinsenelement gepreßt (bzw. gegossen) ist, ist es aus dem gleichen Grund erforderlich, Mittel zur Korrektur chromatischer Aberration vorzusehen.

Zur Korrektur der chromatischen Aberration wird bevorzugt eine achromatische Doublet-Komponente verwendet.

Falls die Kittfläche die von der in der Nähe der Pupille angeordneten asphärischen Fläche erzeugte sphärische Aberration korrigieren kann, ist es erforderlich, das konkave Meniskuslinsenelement an das stabförmige Linsenelement anzukitten. Das Weglassen dieses konkaven Meniskuslinsenelementes dient zur Reduzierung der Anzahl der Linsenelemente des optischen Systems und führt zur Senkung der Herstellungskosten.

Durch Kombinieren des optischen Bildübertragungssystems nach der Erfindung (bzw. einer Vielzahl von optischen Bildübertragungssystemen nach der Erfindung) mit einer Objektivlinseneinheit, eine Okulareinheit usw. wird ein nicht-flexibles Endoskop gebildet. Mit diesem nicht-flexiblen Endoskop ist es möglich, tiefe intrakavitäre Stellen von außerhalb des Körpers aus zu betrachten. Ferner ist es dem nicht-flexiblen Endoskop möglich, mehrere Meter vom Betrachter entfernte Objekte bzw. Stellen zu betrachten, z. B. unterirdische Stellen oder hochgelegene Stellen. Darüberhinaus ist es auch für das optische Bildübertragungssystem mit gleicher Länge und gleichem Außendurchmesser möglich, die numerische Apertur eines Relaislinsensystems zu vergrößern und ein helles Sichtfeld zu erhalten, indem dessen Gesamtlänge von einer einzelnen Relaislinseneinheit auf drei Relaislinseneinheiten vergrößert wird.

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des optischen Bildübertragungssystems nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und mit Angabe numerischer Daten beschrieben

Es zeigt:

Fig. 1 bis 6 Schnittdarstellungen der Aufbauten bekannter optischer Bildübertragungssysteme, auf die bereits eingangs Bezug genommen wurde.

Fig. 7 eine Schnittdarstellung des Aufbaus von Ausführungsbeispielen 1 bis 6 der Erfindung.

Fig. 8 eine Schnittdarstellung des Aufbaus von Ausführungsbeispielen 7 bis 12 der Erfindung.

Fig. 9 eine Schnittdarstellung des Aufbaus von Ausführungsbeispielen 13 bis 15 der Erfindung,

Fig. 10 und 11 Kurven der Aberrationscharakteristiken des in Fig. 6 dargestellten bekannten optischen Bildübertragungssystems und

Fig. 12 bis 27 Kurven der Aberrationscharakteristiken der Ausführungsbeispiele 1 bis 15 der Erfindung.

Ausführungsbeispiel 1

Ausführungsbeispiel 2

Ausführungsbeispiel 3

Ausführungsbeispiel 4

Ausführungsbeispiel 5

Ausführungsbeispiel 6

Ausführungsbeispiel 7

Ausführungsbeispiel 8

Ausführungsbeispiel 9

Ausführungsbeispiel 10

Ausführungsbeispiel 11

Ausführungsbeispiel 12

Ausführungsbeispiel 13

Ausführungsbeispiel 14

Ausführungsbeispiel 15

In den vorstehenden Angaben bezeichnen
r₁, r₂ . . . Krümmungsradien der Flächen der jeweiligen Linsenelemente.
d₁, d₂ . . . Dicken der jeweiligen Linsenelemente und Luftabstände dazwischen.
n₁, n₂ . . . Brechungsindizes der jeweiligen Linsenelemente.
ν₁, ν₂ . . . Abbe-Zahlen der jeweiligen Linsenelemente und
OB den Abstand zu dem Objektpunkt.

AS. ASA und |E/I²·NA| sind nur für eine einzelne Realislinsen einheit jedes der zwei Relaislinseneinheiten umfassenden Ausführungsbeispiel 13 und 14 beschrieben.

Die für die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele gewählten Seidelschen Koeffizienten sind nachstehend ausgelistet:

Ausführungsbeispiel 1

sphärische Aberration SA3

Astigmatismus AST3

Petzval PTZ3

Ausführungsbeispiel 2

sphärische Aberration SA3

Astigmatismus AST3

Petzval PTZ3

Ausführungsbeispiel 3

sphärische Aberration SA3

Astigmatismus AST3

Petzval PTZ3

Ausführungsbeispiel 4

sphärische Aberration SA3

Astigmatismus AST3

Petzval PTZ3

Ausführungsbeispiel 5

sphärische Aberration SA3

Astigmatismus AST3

Petzval PTZ3

Ausführungsbeispiel 6

sphärische Aberration SA3

Astigmatismus AST3

Petzval PTZ3

Ausführungsbeispiel 7

sphärische Aberration SA3

Astigmatismus AST3

Petzval PTZ3

Ausführungsbeispiel 8

sphärische Aberration SA3

Astigmatismus AST3

Petzval PTZ3

Ausführungsbeispiel 9

sphärische Aberration SA3

Astigmatismus AST3

Petzval PTZ3

Ausführungsbeispiel 10

sphärische Aberration SA3

Astigmatismus AST3

Petzval PTZ3

Ausführungsbeispiel 11

sphärische Aberration SA3

Astigmatismus AST3

Petzval PTZ3

Ausführungsbeispiel 12

sphärische Aberration SA3

Astigmatismus AST3

Petzval PTZ3

Ausführungsbeispiel 13

sphärische Aberration SA3

Astigmatismus AST3

Ausführungsbeispiel 14

sphärische Aberration SA3

Astigmatismus AST3

Ausführungsbeispiel 15

sphärische Aberration SA3

Astigmatismus AST3

Petzval PTZ3

Von den für die Ausführungsbeispiele gewählten Seidelschen Koef fizienten sind jeweils die Gesamtsummen der vertikalen Reihen in Zeilen aufgelistet, um die in der jeweils unteren Zeile an gegebenen, mit F-Nummern multiplizierten Werte zu spezifizieren.

Das Ausführungsbeispiel 1 hat den in Fig. 7 dargestellten Auf bau und umfaßt ein bikonvexes Linsenelement 3, ein daran ange kittetes konkaves Meniskuslinsenelement 4 und Linsenelemente 4′ und 3′. Die Reihenfolge der vorstehenden Aufzählung der Linsenelemenete entspricht der Reihenfolge ihrer Anordnung zwischen dem Bild 1 auf der Objektseite und dem Bild 2 auf der Betrachtungsseite. Die Linsenelemente 3 und 4 sind auf einer Seite der Pupillenposition 5 angeordnet, und die Linsenelemente 3′ und 4′ sind auf der anderen Seite der Pupillenposition 5 an geordnet, so daß ein zur Pupillenposition 5 symmetrischer Aufbau vorliegt.

In dem Ausführungsbeispiel 1 sind die Flächen 3 a und 3 a′ als asphärische Flächen ausgebildet, die Bereiche umfassen, deren Krümmung graduell schwächer wird je weiter die Bereiche von dem Zentrum der Fläche entfernt sind.

Die bikonvexen Linsenelemente 3 und 3′ erzeugen sphärische Aberration in der Nähe der Pupille. Zur Korrektur dieser sphä rischen Aberration sind die konkaven Meniskuslinsenelemente 4 bzw. 4′ an die jeweiligen bikonvexen Linsenelemente angekittet. Die durch die Flächen 3 b und 3 b′ erzeugte sphärische Aberration wird durch die durch die Flächen 4 b und 4 b′ erzeugte negative sphärische Aberration kompensiert. Dann noch verbleibende sphä rische Aberration wird durch die oben erwähnten asphärischen Flächen 3 a und 3 a′ korrigiert.

Die in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Linsenelemente 3 und 3′ haben eine Länge, die etwa dem 10fachen ihres Außen durchmessers entspricht und dienen zur Helligkeitssteigerung, indem sie die numerische Apertur vergrößern. Die bikonvexen Linsenelemente 3 und 3′ sind aus einem Material mit niedrigem Dispersionsvermögen gebidet, während die konkaven Meniskus linsenelemente 4 und 4′ aus einem Material mit hohem Disper sionsvermögen gebildet sind, um chromatische Aberration zu korrigieren.

Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 1 sind in Fig. 12 dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel 2 hat im wesentlichen den gleichen Auf bau wie das in Fig. 7 gezeigte Ausführungsbeispiel 1. Die als erste Fläche und als sechste Fläche in dem Ausführungsbeispiel 2 verwendeten asphärische Flächen haben einen P-Wert von null (P=0) und sind unter Heranziehung einer parabolischen Fläche als Standard ausgebildet. Von daher unterscheiden sich diese Flächen von den asphärischen in dem Ausführungsbeispiel 1. Die asphärischen Flächen in dem Ausführungsbeispiel 1 haben einen P-Wert von 1 und sind unter Heranziehung einer sphärischen Stan dardfläche gestaltet.

Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 2 sind in Fig. 13 dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel 3 hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das Ausführungsbeispiel 1. Astigmatismus wird in dem Ausführungsbeispiel 3 jedoch dahingehend korrigiert, daß man eine Beziehung von DM=-DS erhält, wohingegen in dem Ausfüh rungsbeispiel 1 Astigmatismus in der Weise korrigiert wird, daß die tangentiale Bildebene DM und die sagittale Bildebene DS aneinander angepaßt werden. Wenn die Astigmatismuskorrektur in der Weise erfolgt, daß man DM und DS bezüglich einer auf der optischen Achse senkrecht stehenden Ebene symmetrisch macht, wie bei dem Ausführungsbeispiel 3, dann erhält man eine fokussierte mittlere Bildebene senkrecht zur optischen Achse. In diesem Fall kann ein optisches System mit einer großen Schärfentiefe (engl.: depth of field), wie beispielsweise ein Endoskop, inner halb eines nicht durch Astigmatismus ungünstig beeinträchtigten Spielraums all die Bereiche einer flachen Objektfläche von der Mitte bis zu den Randbereichen in eine gute Scharfeinstellung bzw. Fokussierstellung bringen.

Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 3 sind in Fig. 14 dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel 4 hat im wesentlichen den gleichen Auf bau wie das Ausführungsbeispiel 1. Das Ausführungsbeispiel 4 unterscheidet sich jedoch von dem Ausführungsbeispiel 1 dadurch, daß in dem ersteren Astigmatismus dahingehend korrigiert wird, daß man eine Beziehung von DS=3 DM erhält. Mit der Korrekturart des Ausführungsbeispiels 4 kann Astigmatismus insgesamt besei tigt werden, indem er mit einer Kombination aus dem optischen System, einer Objektivlinse und anderen Relaislinsen korrigiert wird.

Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 4 sind in Fig. 15 dargestellt.

Der Aufbau des Ausführungsbeispiels 5 entspricht im wesentlichen den Aufbauten der Ausführungsbeispiele 1 bis 4. Das Ausführungs beispiel 5 unterscheidet sich jedoch von den Ausführungsbei spielen 1 bis 4 durch die Wahl des Materials für die konkaven Meniskuslinsenelemente 4 und 4′. In dem Ausführungsbeispiel 5 sind die konkaven Meniskuslinsenelemente 4 und 4′ aus einem Material hergestellt, das einen höheren Brechungsindex hat als das für die Ausführungsbeispiele 1 bis 4 gewählte Material. Dadurch wird die Petzvalsumme PS minimiert. Die Ausfüh rungsbeispiele 1 bis 4 sind für PS/f=0,126 ausgelegt, wohin gegen das Ausführungsbeispiel 5 für PS/f=0,119 ausgelegt ist.

Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 5 sind in Fig. 16 dargestellt.

Der Aufbau des Ausführungsbeispiels 6 entspricht ebenfalls im wesentlichen dem Aufbau des in Fig. 7 gezeigten Ausführungs beispiels 1. Das Ausführungsbeispiel 6 unterscheidet sich jedoch von den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 in den Materialien der stabförmigen bikonvexen Linsenelemente 3 und 3′ und der konkaven Meniskuslinsenelemente 4 und 4′. Obwohl die oben beschriebenen Unterschiede in den Materialien der Linsenelemente vorliegen, wird mit dem Ausführungsbeispiel 6 im wesentlichen die gleiche Wirkung erzielt wie mit den Ausführungsbeispielen 1 bis 3, wie aus den in Fig. 17 dargestellten Aberrationscharakteristikkurven zu ersehen ist. Das bedeutet, daß die in dem Ausführungsbeispiel 6 verwendeten Linsenelemente mit den in dem Ausführungsbeispie len 1 bis 3 verwendeten Linsenelementen austauschbar sind, was für die Konstruktion von Linsen von Bedeutung ist.

Das Ausführungsbeispiel 7 hat den in Fig. 8 dargestellten Aufbau und umfaßt, ausgehend von dem Bild 1 auf der Objektseite, eine plankonvexe Linsenkomponente 10, eine achromatische Doubletkom ponente 11, 12 und eine Linsenkomponente 10′, die der plankon vexen Linsenkomponente 10 entspricht und so ausgerichtet ist, daß die konvexe Fläche 10 a′ auf der Seite des Bildes 2 liegt.

In dem Ausführungsbeispiel 7 sind die Flächen 10 a und 10 a′ als asphärische Flächen ausgebildet, die Bereiche umfassen, deren Krümmung graduell abnimmt je weiter diese Bereiche vom Zentrum entfernt sind. Ferner sind die pupillenseitigen Flächen 10 b und 10 b′ der konvexen Linsenkomponente als ebene Flächen ausgebil det. Die in der Nähe der Pupille erforderliche positive Brech kraft (engl.: power) wird den achromatischen Doubletkomponenten 11, 12 zugeteilt. Falls die in der Nähe der Pupille erforder liche positive Brechkraft einem bikonvexen Linsenelement zuge teilt ist, wird dessen konvexe Fläche negative sphärische Aber ration erzeugen. Zur Korrektur dieser negativen sphärischen Aberration ist die achromatische Doubletkomponenete aus einem bikonvexen Linsenelement 11 und einem konkaven Linsenlement 12 gebildet, so daß zur Kompensation der negativen sphärischen Aberration eine positive sphärische Aberration erzeugt wird. Das bikonvexe Linsenelement 11 des gekitteten Doublets ist aus einem schwach dispersiven Material mit einer großen Abbe-Zahl hergestellt, und das konkave Linsenelement 12 des gekitteten Doublets ist aus einem stark dispersiven Material mit einer kleinen Abbe′-Zahl hergestellt, um Aberrationen zu korrigieren. Darüberhinaus wird Astigmatismus, der nicht in der Nähe der Pupille korrigiert werden kann, durch die asphärischen Flächen 10 a und 10 a′ korrigiert.

Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 7 sind in Fig. 18 gezeigt.

Das Ausführungsbeispiel 8 hat im wesentlichen den gleichen Auf bau wie das Ausführungsbeispiel 7. In dem Ausführungsbeispiel 7 wird der Astigmatismus jedoch dahingehend korrigiert, daß DM und DS aneinander angepaßt werden, wohingegen in dem Ausführungsbei spiel 8 der Astigmatismus so korrigiert wird, daß man eine Be ziehung von DM=-DS erhält. Das Ausführungsbeispiel 8 hat im wesentlichen die gleiche Charakteristik wie das Ausführungs beispiel 3.

Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 8 sind in Fig. 19 dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel 9 hat ebenfalls im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das Ausführungsbeispiel 7. In dem Ausfüh rungsbeispiel 9 wird Astigmatismus jedoch dahingehend korri giert, daß man eine Beziehung DS=1,6 DM erhält. Demzufolge hat das Ausführungsbeispiel 9 im wesentlichen die gleiche Charakte ristik wie das Ausführungsbeispiel 4.

Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 9 sind in Fig. 20 dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel 10 hat im wesentlichen den gleichen Auf bau wie die Ausführungsbeispiele 7 bis 9. Das Ausführungsbei spiel 10 hat jedoch plankonvexe stabförmige Linsenkomponenten 10 und 10′ aus einem Material, das sich von den in den anderen Ausführungsbeispielen verwendeten Materialien unterscheidet.

Aufgrund der Materialauswahl für die Linsenkomponenten 10 und 10′ weist das Ausführungsbeispiel 10 im wesentlichen die gleiche Charakteristik wie das Ausführungsbeispiel 6 auf.

Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 10 sind in Fig. 21 dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel 11 hat im wesentlichen den gleichen Auf bau wie die Ausführungsbeispiele 7 bis 10. Das Ausführungsbei spiel 11 unterscheidet sich jedoch von den Ausführungsbeispielen 7 bis 10 dadurch, daß Astigmatismus dahingehend korrigiert wird, daß man in dem ersteren eine Beziehung von DM=0 erhält. Das Ausführungsbeispiel 11 hat eine ähnliche Charakteristik wie das Ausführungsbeispiel 4.

Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 11 sind in Fig. 22 dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel 12 hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das Ausführungsbeispiel 11. Das Ausführungsbeispiel 12 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel 11 dadurch, daß in dem ersteren die Korrektur dahingehend erfolgt, daß eine Beziehung von DS=3 DM erhalten wird. Das Ausführungsbeispiel 12 hat die gleiche Charakteristik wie das Ausführungsbeispiel 4.

Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 12 sind in Fig. 23 dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel 13 hat den in Fig. 9 gezeigten Aufbau, in dem zwei Relaislinseneinheiten des Ausführungsbeispiels 1 hintereinander angeordnet sind, um ein Bild zweimal weiter zuleiten. Das Ausführungsbeispiel 13 umfaßt somit zwei sym metrisch angeordnete optische Systeme mit einem zwischen den Systemen freigehaltenen Luftabstand, nämlich das als Ausfüh rungsbeispiel 1 beschriebene System mit einer gekitteten Doub letkomponente, bestehend aus einem bikonvexen Linsenelement 3 und dem konkaven Meniskuslinsenlement 4, und mit der gekitteten Doublettkomponente, bestehend aus den Linsenelementen 4′ und 3′ in der symmetrischen Anordnung bezüglich der Ebene 5, und ein weiteres dem vorhergenannten optischen System entsprechendes optisches System mit den Linsenelementen 3′′, 4′′, 3′′′ und 4′′′.

Durch Anordnen mehrerer gleicher Relaislinseneinheiten hinter einander, wie oben beschrieben, wird die Gesamtlänge des opti schen Bildübertragungssystem vergörßert, so daß es möglich ist ein nicht-flexibles Endoskop aufzubauen, mit dem man von außer halb des Körpers aus tiefe intrakavitäre Stellen beobachten kann. Mit einem solchen Endoskop ist es ferner möglich mehrere Meter von dem Betrachter entfernte Objekte, z. B. Untergrund objekte oder hochliegende Objekte zu betrachten.

Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 13 sind in Fig. 24 dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel 1 ist so beschaffen, daß es Astigmatis mus dahingehend korrigiert, daß man eine Beziehung von DM=DS erhält. Diese Beziehung bleibt unverändert erhalten, auch wenn das optische System des Ausführungsbeispiels 1 wiederholt ange ordnet ist, wie in dem Ausführungsbeispiel 13. Demzufolge wird die Feldwölbung verstärkt. Wenn Relaislinseneinheiten mit der Astigmatismuskorrektur gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 in einer Vielzahl kombiniert sind, können die Mitte und Randbereiche eines Bildes nicht gleichzeitig in Fokussiereinstellung gebracht werden. Die Randbereiche werden jedoch bei einer bestimmten Objektstellung scharf eingestellt, so daß das optische System mit einer Vielzahl von Relaislinseneinheiten effizient für die Betrachtung von Objektenverwendbar ist, die an ein derartiges optisches System angepaßt sind.

Das Ausführungsbeispiel 14 hat den din Fig. 9 gezeigten Aufbau und umfaßt zwei otpische Systeme. In jedem dieser optischen Systeme erfolgt die Astigmatismuskorrektur dahingehend, daß man eine Beziehung von DS=-DM erhält, wie in dem Ausführungsbeispiel 3. Die Beziehung von DS=-DM bleibt unverändert wenn ein Bild mehrere Male weitergeleitet wird: Absolutwerte von DM und DS nehmen jedoch zu, wie in den Aberrationscharakteristikkurven des Ausführungsbeispiels 14 in Fig. 25 gezeigt ist. Wenn die optischen Systeme mit den oben beschriebenen Astigmatismus korrekturen in Kombination verwendet werden, verläuft eine mittlere Bildebene von DS und DM immer senkrecht zu der opti schen Achse. In einem optischen System mit relativ kleiner Helligkeit bzw. Lichtstärke und einer großen Schärfentiefe (engl.: depth of field), wie einem nicht-flexiblen Endoskop, wird ein Bild in Fokussiereinstellung gebracht, und zwar über den gesamten Abstand von dem flachen zentralen Bereich bis zu den Randbereichen, sofern Astigmatismus nicht erheblich ist und in einem erlaubten Bereich liegt.

Das Ausführungsbeispiel 15 hat im wesentlichen den in Fig. 9 gezeigten Aufbau. Das Ausführungsbeispiel 15 umfaßt jedoch eine Relaislinseneinheit, bestehend aus einer bikonvexen stabförmigen Linsenkomponente 3, einer konkaven Meniskuslinsenkomponente 4, einer konkaven Meniskuslinsenkomponente 4′ und einer bikonvexen stabförmigen Linsenkomponente 3′, die Astigmatismus dahingehend korrigiert, daß man eine Beziehung von DS=3 DM erhält. Ein mit diesem optischen System kombiniertes optisches System umfaßt eine bikonvexe stabförmige Linsenkomponente 3′′, eine konkave Meniskuslinsenkomponente 4′′, eine konkave Meniskuslinsenkompo nente 4′′′ und eine bikonvexe stabförmige Linsenkomponente 3′′′, die Astigmatismus dahingehend korrigiert, daß eine Beziehung DM<DS erhalten wird. In dem Zustand, in dem die beiden opti schen Systeme miteinander kombiniert sind, erfolgt die Astigma tismuskorrektur dahingehend, daß man eine Beziehung von DS=DM erhält, wodurch sich das Ausführungsbeispiel 15 von den Ausfüh rungsbeispielen 13 und 14 unterscheidet.

Was die Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 15 anbetrifft, weist die einzelne, von der Linsenkomponente 3 zur Linsenkomponente 3′ reichende Relaislinsenheit im wesentli chen die in Fig. 15 gezeigten Aberrationscharakteristiken auf, und die einzelne, von der Linsenkomponente 3′′ zur Linsenkompo nente 3′′′ reichende Relaislinseneinheit hat die in Fig. 26 gezeigten Aberrationscharakteristiken. Die Kombination der zwei Relaislinseneinheiten weist die in Fig. 27 gezeigten Aberra tionscharakteristiken auf, aus der hervorgeht, daß Astigma tismus ingesamt korrigiert wird. Die Kombination entspricht der des Ausführungsbeispiels 13, und es wird der gleiche Vorteil für die Astigmatismuskorrektur erzielt wie in dem Ausführungsbei spiel 13.

Das Bildübertragungssystem nach der Erfindung ist in der Lage, Astigmatismus, sphärische Aberration und andere Aberrationen durch die in der Nähe der Pupille angeordnete sphärische Fläche und die in der Nähe des Objektes bzw. des Bildes angeordneten asphärischen Flächen zu korrigieren.

Claims

1. Optische Bildübertragungssystem zur Übertragung eines Bildes eines Objektes, zur Refokussierung des Bildes an einer vorbe stimmten Position, mit einer Vielzahl von Linsenkomponenten, dadurch gekennzeichnet,
- daß irgendeine als sphärische Fläche (3 b, 4 a, 4 a′, 3 b′) ausgebildete Linsenfläche der Linsenkomponenten in der Nähe der Pupille (5) des optischen Systems lokalisiert ist, wobei diese sphärische Fläche die Funktion hat sphärische Aberration zu korrigieren.
- daß irgendeine als asphärische Fläche (3 a) ausgebildete Linsenfläche der Linsenkomponenten in der Nähe des Bildes (1) lokalisiert ist und Bereiche umfaßt, deren Krümmung graduell schwächer wird je weiter die Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wenn das Medium auf der Eintrittsseite dieser asphärischen Fläche einen kleineren Brechungsindex hat als das Medium auf der Austrittsseite,
- daß irgendeine der Linsenflächen (3 a′) der Linsenkomponenten in der Nähe des refokussierten Bildes (2) lokalisiert ist und Bereiche umfaßt, deren Krümmung graduell schwächer wird je weiter die Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wenn das Medium auf der Eintrittsseite dieser Fläche einen größeren Brechungsindex hat als das Medium auf der Austrittsseite.

2. Optisches Bildübertragungssystem zur Übertragung eines Bildes eines Objektes, zur Refokussierung des Bildes an einer vor bestimmten Position, mit einer Vielzahl von Linsenkomponenten, dadurch gekennzeichnet,
- daß irgendeine als sphärische Fläche ausgebildete Linsenfläche der Linsenkomponenten in der Nähe der Pupille des optischen Systems lokalisiert ist, wobei diese sphärische Fläche die Funktion hat, sphärische Aberration zu korrigieren,
- daß irgendeine als asphärische Fläche ausgebildete Linsen fläche der Linsenkomponenten in der Nähe des Bildes lokalisiert ist und Bereiche umfaßt, deren Krümmung graduell stärker wird je weiter die Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wenn das Medium auf der Eintrittsseite dieser asphärischen Fläche einen größeren Brechungsindex hat als das Medium auf der Austrittsseite,
- daß irgendeine der Linsenflächen der Linsenkomponenten in der Nähe des refokussierten Bildes lokalisiert ist und Bereiche umfaßt, deren Krümmung graduell stärker wird, je weiter die Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wenn das Medium auf der Eintrittsseite dieser Fläche einen kleineren Brechungs index hat als das Medium auf der Austrittsseite.

3. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet
durch ein gekittetes Doublet mit einer Kittfläche in der Nähe der Pupille und
durch die Erfüllung folgenden Bedingungen (1) und (2): (1) Φ _k<0(2) Φ _k · f≧0worin
Φ _k den Brechungsindex der Kittfläche und
f die Gesamtbrennweite des gesamten optischen Systems bezeichnet,

4. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Erfüllung der folgenden Bedingungen (3) und (4′): (3) A _S · A _SA<0(4) 0,01<A _S · A _SA<100worin
A _S den Koeffizienten des Astigmatismus dritter Ordnung der in der Nachbarschaft der Pupille angeordneten sphärischen Fläche und
A _SA den Koeffizienten des Astigmatismus dritter Ordnung der in der Nachbarschaft des Bildes angeordneten asphärischen Fläche bezeichnet.

5. Bildübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die asphärische Fläche durch die nachstehende Formel ausgedrückt ist und daß die folgenden Bedingungen (6) und (7) erfüllt sind: x=|Cy²/1+√-pC²y²|+By²+Ey⁴+Fy⁶+Gy⁸+ . . .(6) 0,1<|E/I² · NA|<0,001(7) 1×10^-4<|F/I² · NA|<1×10^-10worin
C die Krümmung am Scheitel der asphärischen Fläche,
p die Kegelschnittkonstante,
B, E, F asphärische Flächenkoeffizienten,
I die Bildhöhe und
NA die numerische Apertur des optischen Systems bezeichnen.

6. Bildübertragungssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die Linsenkomonenten mit den asphärischen Flächen durch Pressen von Glas oder Kunststoff geformt sind.

7. Bildübertragungssystem nach Anspruch 1, 2, 4, 5 oder 6, gekennzeichnet durch ein gekittetes Doublet mit einer Kittfläche in der Nachbarschaft der Pupille des optischen Systems.

8. Bildübertragungssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch zwei gleiche stabförmige gekittete Doubletkomponenten, bestehend aus einem stabförmigen bikonvexen Linsenelement und einem Meniskuslinsenelement, wobei die stabförmigen Linsenkomponenten symmetrisch zu der Pupille angeordnet sind.

9. Bildübertragungssystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine stabförmige Linsenkomponente, eine gekittete Doubletkomponente und eine weitere der vor stehenden stabförmigen Linsenkomponente gleichende stabförmige Linsenkomponente in einer symmetrischen Anordnung zu der Pupille.

10. Bildübertragungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Linseneinheit mit den beiden symmetrisch zur Pupille angeordneten stabförmigen gekitteten Linsenkomponenten mehrfach wiederholt angeordnet ist.