DE3838168C2

DE3838168C2 -

Info

Publication number: DE3838168C2
Application number: DE19883838168
Authority: DE
Inventors: Iwao Fussa Tokio/Tokyo Jp Kanamori
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1987-11-10
Filing date: 1988-11-10
Publication date: 1993-04-22
Also published as: DE3838168A1; JPH01124810A

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Bildübertragungssystem mit mehreren Linsenkomponenten zur Übertragung eines von einem Objektiv geformten Bildes eines Objektes durch Refokussierung des Bildes an einer vorbestimmten Position, wobei das optische Bildübertragungssystem neben sphärischen Flächen auch asphärische Flächen an den Linsenkomponenten aufweist und etwa in nicht-flexiblen Endoskopen, beispielsweise nicht-flexiblen medizinischen Endoskopen, in Endoskopen flexibler Bauart mit einem nicht-flexiblen Abschnitt, in nicht-flexiblen Industrie- Fiberskopen, in Videoskopen mit eingebauten Festkörper- Bildsensoren oder ähnlichen Einrichtungen und nicht-flexiblen Videoskopen verwendbar ist.

Ein optisches Bildübertragungssystem und dessen Wirkungsweise ist beispielsweise in der US-PS 46 93 568 beschrieben. Das daraus bekannte optische Bildübertragungssystem für ein nicht-flexibles Endoskop umfaßt zwei bikonvexe stabförmige Linsenkomponenten und zwei zwischen diesen stabförmigen Linsenkomponenten angeordnete Meniskuslinsenkomponenten. Gemäß einer Ausführungsform des bekannten Bildübertragungssystems sind die stabförmigen Linsenkomponenten als gekittete Doubletkomponenten ausgebildet und bestehen aus einer bikonvexen Stablinse und einem Meniskuslinsenelement.

Das Bildübertragungssystem nach der US-PS 46 93 568 weist keine asphärische Flächen an den Linsenkomponenten auf.

Die Verwendung asphärischer Flächen zur Verbesserung der Korrektur von Aberrationen ist beispielsweise in der DE-OS 36 00 573 beschrieben. Die DE-OS 36 00 573 betrifft jedoch kein optisches Bildübertragungssystem der eingangs genannten Art, sondern ein Endoskopobjektiv zur Formung eines Bildes von einem observierten Gegenstand. Die asphärischen Flächen sind bei dem Endoskopobjektiv insbesondere dazu vorgesehen, eine Verbesserung der Korrektur der Verzeichnung und der Bildfeldkrümmung entsprechend den spezifischen Anforderungen an ein abbildendes Objektiv zu verbessern.

Aus der US-PS 45 45 652 sind nachstehend erläuterte optische Bildübertragungssysteme mit apshärischen Linsenflächen zur Aberrationskorrektur bekannt, wobei die asphärischen Flächen Bereiche aufweisen, deren Krümmung mit radialem Abstand von der optischen Achse entweder zunimmt oder abnimmt. Gemäß einer Ausführungsform des bekannten Bildübertragungssystems ist eine sphärische Fläche in der Nähe der Pupille des Systems angeordnet. Ferner ist eine asphärische Fläche in der Nähe des zu übertragenden Bildes angeordnet, die Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell zunimmt, je weiter die Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der Lichteintrittsseite der asphärischen Fläche größer ist als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite der asphärischen Fläche. Ferner ist eine asphärische Fläche in der Nähe des refokussierten Bildes angeordnet, die Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell zunimmt, je weiter diese Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der Lichteintrittsseite dieser asphärischen Fläche kleiner ist als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite dieser asphärischen Fläche.

Zur Korrektur der Petzvallsumme umfassen die bekannten optischen Bildübertragungssysteme mit asphärischen Flächen eine gekittete Linse, bestehend aus einer konvexen Linse mit einem großen Brechungsindex und einer konkaven Linse mit einem kleinen Brechungsindex. Die durch die Kittfläche (sphärische Fläche) der gekitteten Linse erzeugte sphärische Aberration wird durch eine sich von der Kittfläche unterscheidende asphärische Fläche in der gekitteten Linse korrigiert.

In dem in Fig. 20 gezeigten bekannten optischen Bildübertragungssystem sind Kittflächen 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 20a und 20b der stabförmigen Linse sind als asphärische Flächen ausgebildet. Bis auf die Flächen 20a und 20b sind die Linsenflächen sphärisch.

In dem in Fig. 20 gezeigten bekannten 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. 21 gezeigte bekannte optische Bildübertragungssystem umfaßt gekittete Linsen 30, von denen jede aus einer konvexen Linse 31 mit großem Brechungsindex und einer konkaven Meniskuslinse 32 mit kleinem Brechungsindex besteht. Eine Fläche 30a dieser gekitteten Linse ist als eine asphärische Fläche ausgebildet. Vier gekittete Linsen 30 werden zur Bildung einer Relaislinseneinheit verwendet.

Das in Fig. 22 gezeigte bekannte optische Bildübertragungssystem umfaßt gekittete Linsen 40, von denen jede aus einer bikonvexen Linse 42 mit großem Brechungsindex und konkaven Linsen 41 und 43 mit kleinem Brechungsindex besteht. Flächen 40a und 40b dieser gekitteten Linsen sind als asphärische Flächen ausgebildet. 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 Linsen 40.

In dem in Fig. 23 gezeigten bekannten optischen Bildübertragungssystem ist an jeder Seite eines stabförmigen Glasblocks 55 eine gekittete Linse 50, bestehend aus einer bikonvexen Linse 51 mit großem Brechungsindex und einer bikonkaven Linse 52 mit kleinem Brechungsindex, angeordnet. Der Glasblock hat auf beiden Seiten ebene Flächen. Die Linse 50 hat eine asphärische Fläche 50a. 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 sphärischen Aberration.

Fig. 24 und Fig. 25 zeigen Kurven, die die Aberrationscharakteristiken des in Fig. 21 dargestelten bekannten optischen Bildübertragungssystems veranschaulichen. Diese Kurven wurden auf der Basis der in der Patentbeschreibung dieses bekannten Beispiels (US-PS 45 45 652) angegebenen numerischen Daten gezeichnet. Die in Fig. 24 gezeigten Kurven stellen die unmittelbar auf die numerischen Daten zurückgehenden Aberrationscharakteristiken dar, wohingegen die in Fig. 25 gezeigten Kurven auf der Grundlage von Berechnungen gezeichnet sind, für die angenommen wurde, daß die asphärischen Flächen sphärische Flächen sind. Für die Darstellung der Kurven in Fig. 24 und Fig. 25 wurde die Bildhöhe auf 1 normiert.

Ein Vergleich zwischen Fig. 24 und Fig. 25 stellt klar, daß die in diesen Zeichnungen dargestellten Aberrationscharakteristiken im wesentlichen gleiches Niveau haben, bzw., keine signifikanten Unterschiede aufweisen. Es ist daher festzustellen, daß durch die Art der Verwendung der asphärischen Flächen bei dem bekannten Beispiel nahezu kein Effekt in bezug auf die Korrektur von Aberrationen erzielt worden ist.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein optisches Bildübertragungssystem der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem Astigmatismus, sphärische Aberration und andere Aberrationen durch effiziente Nutzung asphärischer Linsenflächen in dem optischen System gut korrigiert sind.

Das Bildübertragungssystem nach der Erfindung umfaßt mehrere Linsenkomponenten zur Übertragung eines von einem Objektiv geformten Bildes eines Objektes durch Refokussierung des Bildes an einer vorbestimmten Position, wobei das optische Bildübertragungssystem neben sphärischen Flächen auch asphärische Flächen an den Linsenkomponenten aufweist, eine sphärisch ausgebildete Fläche der Linsenkomponenten in der Nähe der Pupille des optischen Bildübertragungssystems angeordnet ist und die Funktion hat, sphärische Aberration zu korrigieren, eine asphärisch ausgebildete Fläche der Linsenkomponenten in der Nähe des Bildes angeordnet ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell abnimmt, je weiter die Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der Lichteintrittsseite der asphärischen Fläche kleiner ist als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite der asphärischen Fläche, und wobei eine asphärische Fläche der Linsenkomponenten in der Nähe des refokussierten Bildes angeordnet ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell abnimmt, je weiter diese Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der Lichteintrittsseite dieser asphärischen Fläche größer ist als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite dieser asphärischen Fläche.

Das Bildübertragungssystem nach der Erfindung ist dahingehend abgeglichen, daß es sphärische Aberration und Astigmatismus unabhängig korrigiert. Zur Vergrößerung der aberrationkorrigierenden Wirkung stehen die Formen der asphärischen Flächen in einer Beziehung zu den Brechungsindizes auf der Lichteintrittsseite und auf der Lichtaustrittsseite der asphärischen Flächen.

Ein weiteres erfindungsgemäßes optisches Bildübertragungssystem mit mehreren Linsenkomponenten zur Übertragung eines von einem Objektiv geformten Bildes eines Objektes durch Refokussierung des Bildes an einer vorbestimmten Position umfaßt neben sphärischen Flächen auch asphärische Flächen an den Linsenkomponenten, wobei eine sphärische Fläche der Linsenkomponenten in der Nähe der Pupille des optischen Bildübertragungssystems angeordnet ist und die Funktion hat, sphärische Aberration zu korrigieren, eine asphärische Fläche der Linsenkomponenten in der Nähe des Bildes angeordnet ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell zunimmt, je weiter die Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der Lichteintrittsseite der asphärischen Fläche größer ist als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite der asphärischen Fläche, eine asphärische Fläche der Linsenkomponenten in der Nähe des refokussierten Bildes angeordnet ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell zunimmt, je weiter diese Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der Lichteintrittsseite dieser asphärischen Fläche kleiner ist als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite dieser asphärischen Fläche, und wobei ein gekittetes Doublet mit einer in der Nähe der Pupille angeordneten Kittfläche vorgesehen ist, deren Flächenbrechkraft Φ_K der Bedingung:

(1) Φ_K < 0

genügt, wobei ferner die Bedingung:

(2) Φ_K · f < 0

erfüllt ist, in der f die Gesamtbrennweite des optischen Systems bezeichnet.

Das optische Bildübertragungssystem nach der Erfindung hat den in Fig. 1 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 3a des Linsenelementes 3 und die Fläche 3a′ 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 3a ist in der Nähe 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 3a′ 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 (3b, 4a) und (4 a′, 3b′) 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 Flächenbrechkraft der Kittfläche und f für die Gesamtbrennweite der Relaislinseneinheit wird vorgeschlagen, die Bedingungen

(1) Φ_k < 0

(2) Φ_k · f < 0

zu erfüllen.

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 einen negativen Wert:

Φ_k = (n′ - n)/r

erhält, worin
r den Radius der Kittfläche und
n bzw. n′ die Brechungsindizes der Medien 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 an 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 einer im folgenden noch beschriebenen Ausführungsform. Daher muß das 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 einen Gesamtwert 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 einen Gesamtwert 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:

worin
C den Kehrwert des Krümmungsradius eines Berührungskreises der asphärischen Fläche in der Nähe 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 ein Kreis beschrieben.

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

Für den meridionalen Strahl ( =0):

ΔY =(SA3)³+(CMA3)²
+{AST3)+(PTZ3)}²+(DIS3)³
+(SA5)⁵+(CMA5)⁴ +(TOBSA)³²
+(ELCMA)²³+{5(AST5)+(PTZ5)}⁴
+(DIS5)⁵+(SA7)′ (i)

Für den sagittalen Strahl ( =0):

ΔZ =(SA3)³+{(AST3)+(PTZ)}²
+(SA5)⁵+(SOBSA)²²
+{(AST5)+(PTZ5)}⁴+(SA7)⁷ (ii)

In Formel (i) bezeichnet
ΔY die Abweichung zwischen dem paraxialen Bildpunkt (den Bildpunkt im aberrationsfreien Zustand) und dem 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))

Bezüglich 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 Astigmatismus 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 beseitigt. Aufgrund der Bildfeldwölbung 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 unterkorrigiert, und die Astigmatismusdifferenz wird erheblich vergrößert, was eine unerwünschte Verminderung der Bildqualität zur Folge hat.

Der Koeffizient A_j, 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) wird durch die folgende Formel (iii) ausgedrückt:

A_j=8 ha² · hb² E (N_j-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-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 bezeichnen.

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, 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 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 Meniskuslinsenelement 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, einer 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 mit 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 eine Schnittdarstellung des Aufbaus von Ausführungsbeispielen 1 bis 6 der Erfindung.

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Aufbaus von Ausführungsbeispielen 7 bis 12 der Erfindung.

Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Aufbaus von Ausführungsbeispielen 13 bis 15 der Erfindung,

Fig. 4 bis 19 Kurven der Aberrationscharakteristiken der Ausführungsbeispiele 1 bis 15 der Erfindung.

Fig. 20 bis 23 Schnittdarstellungen der Aufbauten bekannter optischer Bildübertragungssysteme, auf die bereits bezug genommen wurde, und

Fig. 24 und 25 Kurven der Aberrationscharakteristiken eines aus der US-PS 45 45 652 bekannten optischen Bildübertragungssystems.

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 Relaislinsen einheit jedes der zwei Relaislinseneinheiten umfassenden Ausführungsbeispiele 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. 1 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 3a und 3a′ 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 3b und 3b′ erzeugte sphärische Aberration wird durch die durch die Flächen 4b und 4b′ erzeugte negative sphärische Aberration kompensiert. Dann noch verbleibende sphä rische Aberration wird durch die oben erwähnten asphärischen Flächen 3a und 3a′ 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 gebildet, 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. 4 dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel 2 hat im wesentlichen den gleichen Auf bau wie das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel 1. Die als erste Fläche und als sechste Fläche in dem Ausführungsbeispiel 2 verwendeten asphärischen 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. 5 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. 6 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. 7 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. 8 dargestellt.

Der Aufbau des Ausführungsbeispiels 6 entspricht ebenfalls im wesentlichen dem Aufbau des in Fig. 1 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. 9 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. 2 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 10a′ auf der Seite des Bildes 2 liegt.

In dem Ausführungsbeispiel 7 sind die Flächen 10a und 10a′ als asphärische Flächen ausgebildet, die Bereiche umfassen, deren Krümmung graduell abnimmt je weiter diese Bereiche vom Zentrum entfernt sind. Ferner sind die pupillenseitigen Flächen 10b und 10b′ 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 Doubletkomponente 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 10a und 10a′ korrigiert.

Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 7 sind in Fig. 10 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. 11 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. 12 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. 13 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. 14 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. 15 dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel 13 hat den in Fig. 3 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 Meniskuslinsenelement 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 vergrößert, 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. 16 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 mittels Objekten verwendbar ist, die an ein derartiges optisches System angepaßt sind.

Das Ausführungsbeispiel 14 hat den in Fig. 3 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. 17 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. 3 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 Relaislinseneinheit im wesentli chen die in Fig. 7 gezeigten Aberrationscharakteristiken auf, und die einzelne, von der Linsenkomponente 3′′ zur Linsenkompo nente 3′′′ reichende Relaislinseneinheit hat die in Fig. 18 gezeigten Aberrationscharakteristiken. Die Kombination der zwei Relaislinseneinheiten weist die in Fig. 19 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. Optisches Bildübertragungssystem mit mehreren Linsenkomponenten zur Übertragung eines von einem Objektiv geformten Bildes eines Objektes durch Refokussierung des Bildes an einer vorbestimmten Position, wobei

- das optische Bildübertragungssystem neben sphärischen Flächen auch asphärische Flächen an den Linsenkomponenten aufweist;
- eine sphärisch ausgebildete Fläche (3b, 4a, 4a′, 3b′; 11a, 11b, 12a, 12b) der Linsenkomponenten in der Nähe der Pupille (5) des optischen Bildübertragungssystems angeordnet ist und die Funktion hat, sphärische Aberration zu korrigieren;
- eine asphärisch ausgebildete Fläche (3a; 10a) der Linsenkomponenten in der Nähe des Bildes (1) angeordnet ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell abnimmt, je weiter die Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der Lichteintrittsseite der asphärischen Fläche (3a; 10a) kleiner ist als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite der asphärischen Fläche; und
- wobei eine asphärisch ausgebildete Fläche (3a′; 10a′) der Linsenkomponenten in der Nähe des refokussierten Bildes (2) angeordnet ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell abnimmt, je weiter diese Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der Lichteintrittsseite dieser asphärischen Fläche (3a′; 10a′), größer ist, als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite dieser asphärischen Fläche.

2. Optisches Bildübertragungssystem mit mehreren Linsenkomponenten zur Übertragung eines von einem Objektiv geformten Bildes eines Objektes durch Refokussierung des Bildes an einer vorbestimmten Position, wobei

- das optische Bildübertragungssystem neben sphärischen Flächen auch asphärische Flächen an den Linsenkomponenten aufweist,
- eine sphärisch ausgebildete Fläche der Linsenkomponenten in der Nähe der Pupille des optischen Bildübertragungssystems angeordnet ist und die Funktion hat, sphärische Aberration zu korrigieren;
- eine asphärisch ausgebildete Fläche der Linsenkomponenten in der Nähe des Bildes angeordnet ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell zunimmt, je weiter die Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der Lichteintrittsseite der asphärischen Fläche größer ist als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite der asphärischen Fläche;
- eine asphärisch ausgebildete Fläche der Linsenkomponenten in der Nähe des refokussierten Bildes angeordnet ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell zunimmt, je weiter diese Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der Lichteintrittsseite dieser asphärischen Fläche kleiner ist, als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite dieser asphärischen Fläche; und
- wobei ein gekittetes Doublet mit einer in der Nähe der Pupille angeordneten Kittfläche vorgesehen ist, deren Flächenbrechkraft Φ_K der Bedingung: (1) Φ_K < 0genügt, wobei ferner die Bedingung(2) Φ_K · f < 0erfüllt ist, in der f die Gesamtbrennweite des optischen Systems bezeichnet.

3. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 1, umfassend ein gekittetes Doublet mit einer Kittfläche in der Nähe der Pupille, wobei folgende Bedingungen (1) und (2) erfüllt sind: (1) Φ_K < 0(2) Φ_K · f < 0,worin
Φ_K die Flächenbrechkraft der Kittfläche und
f die Gesamtbrennweite des optischen Systems bezeichnen.

4. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei folgende Bedingungen (3) und (4′) erfüllt sind: (3) A_S · A_SA < 0(4′) 0,01 < |A_S/A_SA| < 100;worin
A_S den Astigmatismuskoeffizienten dritter Ordnung der in der Nähe der Pupille angeordneten sphärischen Fläche und
A_SA den Astigmatismuskoeffizienten dritter Ordnung der in der Nähe des Bildes angeordneten asphärischen Fläche bezeichnet.

5. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die asphärischen Flächen durch die nachstehende Formel approximiert sind und den folgenden Bedingungen (6) und (7) genügen: (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, G asphärische Flächenkoeffizienten,
I die Bildhöhe und
NA die numerische Apertur des optischen Systems bezeichnen.

6. Optisches Bildübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zwei gleiche stabförmige gekittete Doubletkomponenten, bestehend aus einem stabförmigen bikonvexen Linsenelement und einem Meniskuslinsenelement, wobei die stabförmigen Linsenkomponenten symmetrisch zur Pupille angeordnet sind.

7. Optisches Bildübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine stabförmige Linsenkomponente, eine gekittete Doubletkomponente und eine weitere, der stabförmigen Linsenkomponente gleichende stabförmige Linsenkomponente in einer symmetrischen Anordnung zu der Pupille.