DE4138626C1

DE4138626C1 - Lens objective for endoscope - has lens-prism group and collector lens group with diffusing cemented surface

Info

Publication number: DE4138626C1
Application number: DE19914138626
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Etb Endoskopische Technik Berlin O-1170 Berlin De GmbH
Current assignee: Xion GmbH
Priority date: 1991-11-25
Filing date: 1991-11-25
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2011-11-26

Abstract

The endoscope lens presents a series of components in the light direction, notably planar concave lens planar convex lens combined with prism glass plus a collector lens group with a diffusing cemented surface and a collecting field lens. The lens group should comprise a weak collector lens (4) and collector lens element (7) whose cemented surface (5) diffuser is hollow towards the image. The weak lens is planar convex as also the collector lens element (7), all components having specified design details as tabulated. USE/ADVANTAGE - Medical/surgical endoscopes. Lens commands 70-80 degree image and with suitable eyepiece eliminates distortion.

Description

Die Erfindung betrifft ein Objektiv, das vorzugsweise für medizinische Endoskope bestimmt ist, gemäß der Gattung der Patentansprüche.The invention relates to a lens, preferably for medical endoscopes is determined, according to the genus of Claims.

Moderne Endoskopobjektive, insbesondere für medizinische Zwecke, weisen im allgemeinen den Aufbau eines umgekehrten Teleobjektivs auf, d. h. objektseitig befindet sich eine Zerstreuungslinse und bildseitig sind die die Endoskopobjektive verlassenden Lichtstrahlenbündel (Hauptstrahlengänge) telezentrisch oder nahezu telezentrisch. Derartige Endoskopobjektive sind in der US-PS 40 25 155 oder DE-PS 29 19 205 u. a. beschrieben. Der Nachteil der bekannten Endoskopobjektive besteht darin, daß durch die negative Brechkraft der Frontlinse und durch die starke Abknickung der Strahlen an der ersten Fläche eine auffällige und störende tonnenförmige Verzeichnung entsteht. Diese beträgt gemäß der US-PS 46 21 910 deutlich über 20% bei Endoskopen mit 70-80° Bildwinkel. Dieser Verzeichnung kann optisch nur schwer entgegengewirkt werden, wenn eine gewisse Grundkorrektion der Endoskope erhalten bleiben soll.Modern endoscope lenses, especially for medical ones Purposes generally indicate the construction of an inverse Telephoto lenses on, d. H. there is a diverging lens on the object side and on the image side are the endoscope lenses leaving light beams (main beam paths) telecentric or almost telecentric. Such endoscope lenses are in US-PS 40 25 155 or DE-PS 29 19 205 u. a. described. The disadvantage of the known endoscope lenses is in that the negative refractive power of the front lens and due to the sharp kinking of the rays on the first surface a conspicuous and annoying barrel distortion arises. According to US Pat. No. 4,621,910, this is significantly above 20% for endoscopes with 70-80 ° field of view. This distortion it is difficult to counteract optically if a certain basic correction of the endoscope is retained should.

Außerdem besitzen bekannte Endoskopobjektive keine geeigneten Korrekturelemente für die Verzeichnung. Diese können aus Baugründen nur bildseitig angebracht werden. Die bekannten Endoskopobjektive weisen vor einer Feldlinse ein Kittglied auf, wobei eine zerstreuende Kittfläche gegenüber dem Hauptstrahlenzentrum hohl bzw. zum Bild erhaben ist. Die Kittfläche erzielt nur eine geringe Korrektur der Verzeichnung bei einer vergleichsweise hohen astigmatischen Überkorrektion.In addition, known endoscope lenses do not have suitable ones Correction elements for the distortion. These can be for building reasons only be attached on the image side. The well-known endoscope lenses have a cemented element in front of a field lens, with a diverging putty surface opposite the main ray center is hollow or raised to the picture. The putty surface achieves only a slight correction of the distortion at one comparatively high astigmatic over-correction.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Endoskopobjektiv mit einem Bildwinkel von 70-80°C zu schaffen, welches in Verbindung mit einem angepaßten Okular eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich geringere Verzeichnung aufweist.The object of the invention is therefore to use an endoscope lens to create an angle of view of 70-80 ° C, which in connection with an adapted eyepiece compared to the state of the Technology has significantly less distortion.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des ersten Anspruchs genannten Merkmale gelöst. Durch diese Anordnung sind die Einfallswinkel der Hauptstrahlen an der Kittfläche und die dadurch entstehende überkorrigierende Wirkung hinsichtlich der Verzeichnung vergrößert. Die gesamte positive Brechkraft der Linsengruppe am Ende des Objektivs und vor der Feldlinse wird durch zwei sammelnde Linsenglieder realisiert, wodurch sich die positive Brechkraft gegenüber dem Stand der Technik gleichmäßiger verteilt und der unterkorrigierende Einfluß auf die Verzeichnung verringert wird, und von denen das eine schwache Sammellinse und das andere ein sammelndes Kittglied ist, das die zum Bild hohle zerstreuende Kittfläche aufweist. Diese Kittfläche hat auch eine astigmatisch überkorrigierende Wirkung. Durch die Erfindung wird die auftretende astigmatische Überkorrektion, die bei der meridionalen Bildschale bis zu 30% der Brennweite des Objektivs betragen kann, belassen und diese Überkorrektion durch eine astigmatisch Unterkorrektion des nachfolgenden Okulars beseitigt. Die bei Endoskopen eingesetzten Okulare sind meist einfache Achromate oder Einzellinsen, die von sich aus zur Unterkorrektion neigen, so daß sich besondere Korrektionsmaßnahmen erübrigen. Von Vorteil ist dabei, daß bei derartig astigmatisch unterkorrigierten Okularen die Verzeichnung anwächst, so daß der durch das Objektiv gegebene tonnenförmige Verzeichnungseffekt zum Teil kompensiert wird.According to the invention, this object is achieved by the solved the features mentioned in the first claim. By this arrangement is based on the angles of incidence of the main rays the putty surface and the resulting over-correcting Effect on distortion increased. The whole positive refractive power of the lens group at the end of the lens and in front of the field lens is through two collecting lens elements realized, whereby the positive refractive power compared to the State of the art more evenly distributed and the undercorrecting Influence on the distortion is reduced, and by which the one weak lens and the other a collecting lens The putty is the one that dissipates the hollow image Has putty. This putty surface also has an astigmatic one overcorrecting effect. The invention astigmatic over-correction occurring in the meridional Scaling up to 30% of the focal length of the lens can be left and this over-correction by a astigmatic under-correction of the following eyepiece eliminated. The eyepieces used in endoscopes are usually simple Achromats or single lenses, which are used for undercorrection tend so that there are special corrective measures spare. The advantage here is that in such an astigmatic under-corrected eyepieces the distortion increases, so that the barrel-shaped distortion effect given by the lens is partially compensated.

Zwischen einem Endoskopobjektiv gemäß der Erfindung und dem zugehörigen Okular können in bekannter Weise Relaissysteme mit telezentrischem Strahlengang eingefügt werden, die den astigmatischen und verzeichnenden Effekt nicht beeinflussen. Ein solches System ist z. B. in DD-PS 2 84 142 beschrieben. Für die grundsätzliche Wirkungsweise ist es dabei unerheblich, ob die Zwischenbilder in Glas oder in Luft entstehen.Between an endoscope lens according to the invention and the Associated eyepiece can have relay systems in a known manner telecentric beam path are inserted, the astigmatic and do not affect the effect of the effect. A such system is e.g. B. described in DD-PS 2 84 142. For the basic mode of operation, it is irrelevant whether the Intermediate images are created in glass or in air.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung und zweier Tabellen näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Dabei dient die Zeichnung zur Erläuterung beider Ausführungsbeispiele. In der Zeichnung zeigtThe invention is described below with reference to the drawing and two Tables explained in more detail in the one embodiment is shown. The drawing serves as an explanation both embodiments. In the drawing shows

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Objektiv und Fig. 1 an inventive lens and

Fig. 2 ein zugehöriges Okular. Fig. 2 is an associated eyepiece.

In Fig. 1 besitzt ein Objektiv gemäß der Erfindung eine Plankonkavlinse 1 mit den Radien r₁, r₂ und der Dicke d₁, der in einem Luftabstand l₁ ein prismatischer Glaskörper 2 mit den Radien r₃ und r₄ und der Dicke d₂ sowie mit einer aufgekitteten Plankonvexlinse 3 mit den Radien r₄ und r₅ und der Dicke d₃ nachgeordnet ist. Durch Luftraum l₂ ist von dieser Plankonvexlinse 3 eine weitere Plankonvexlinse 4 (schwache Sammellinse) mit den Radien r₆ und r₇ und der Dicke d₄ getrennt. Im Luftabstand l₃ folgt der Plankonvexlinse 4 ein mit einer Kittfläche 5 versehenes aus einer Zerstreuungslinse 6 und einer Sammellinse 7 bestehendes Linsenglied im Strahlengang. Die optischen Daten der Zerstreuungslinse 6 sind r₈, r₉ und d₅ und die der Sammellinse 7 r₉, r₁₀ und d₆. Die Kittfläche 5 ist zerstreuend und zum Bildraum hin hohl, wodurch große Einfallswinkel entstehen, die den gewünschten Effekt auf die Verzeichnung bewirken. Hinter dem Linsenglied folgt in einem Luftabstand l₄ eine Feldlinse 8 mit den Radien r₁₁, r₁₂ und der Dicke d₇ die den telezentrischen Hauptstrahlengang herstellt. Das Objektiv bildet einen Gegenstand in eine gekrümmte Bildebene 9 überkorrigiert ab. Dieses Bild wird mit einem unterkorrigierten Okular 10 betrachtet, das wie ein bekannter Achromat aufgebaut ist und aus einer konvex-konkaven Negativlinse 11 mit den Radien r₁₃, r₁₄ und der Dicke d₈ und einer mit dieser Negativlinse 11 verkitteten Bikonvexlinse 12 mit den Radien r₁₄, r₁₅ und der Dicke d₉ besteht. Die "Gegenstandsschale" des Okulars 10 fällt also mit der Bildschale 9 des Objektivs zusammen. Die optischen Daten des Okulars 10 sind der unten stehenden Tabelle 3 entnehmbar.In Fig. 1, a lens according to the invention has a plano-concave lens 1 with the radii r₁, r₂ and the thickness d₁, the air gap l₁ a prismatic glass body 2 with the radii r₃ and r₄ and the thickness d₂ and with a cemented-on plano-convex lens 3 with the radii r₄ and r₅ and the thickness d₃ is subordinate. By air space l₂ from this plano-convex lens 3 a further plano-convex lens 4 (weak converging lens) with the radii r₆ and r₇ and the thickness d₄ is separated. In the air distance l₃ the plano-convex lens 4 is followed by a lens element in the beam path provided with a cementing surface 5 consisting of a diverging lens 6 and a converging lens 7 . The optical data of the diverging lens 6 are r₈, r₉ and d₅ and that of the converging lens 7 r₉, r₁₀ and d₆. The putty surface 5 is dispersive and hollow towards the image space, which creates large angles of incidence which have the desired effect on the distortion. Behind the lens element follows in an air gap l₄ a field lens 8 with the radii r₁₁, r₁₂ and the thickness d₇ which produces the telecentric main beam path. The objective depicts an object overcorrected in a curved image plane 9 . This image is viewed with an under-corrected eyepiece 10 , which is constructed like a known achromatic lens and consists of a convex-concave negative lens 11 with the radii r₁₃, r₁₄ and the thickness d₈ and a biconvex lens 12 cemented to this negative lens 11 with the radii r₁₄, r₁₅ and the thickness d₉. The "object shell" of the eyepiece 10 thus coincides with the image shell 9 of the objective. The optical data of the eyepiece 10 can be found in Table 3 below.

Die folgenden Erläuterungen werden anhand der nachstehenden Tabelle 1 vorgenommen, in der die Brennweite f = 1, die bildseitige Schnittweite s′ = 1,30 und der Bildwinkel 2w = 80°. The following explanations are based on the following Table 1 made in which the focal length f = 1, the image side Focal length s ′ = 1.30 and the image angle 2w = 80 °.

Tabelle 1 Table 1

Das Endoskopobjektiv gemäß der Erfindung weist einen Bildwinkel von 80° auf. Bei diesem Objektiv beträgt für den Bildrand die Wölbung der meridionalen Bildschale b_m′ = +0,26f und die Wölbung der sagittalen Bildschale b_m′ = +0,08f, wobei f die Brennweite des Endoskopobjektivs ist. Die Verzeichnung ergibt sich zu -18,7%. Das dazugehörige Okular 10 (Fig. 2) ist ein Achromat mit einer Brennweite von F ≈ 5,28f. Damit wird eine Winkelvergrößerung des Endoskops (nach Art eines umgekehrten Fernrohrs) von 0,19 erreicht. Die entsprechenden astigmatischen Werte am Bildrand sind b_m′ = -0,036F = -0,19f und b_m′ = -0,016F = -0,08f. Die Verzeichnung ergibt sich zu +3%. Die Gesamtverzeichnung des Objektivs beträgt somit 15,7% gegenüber fast 25% bei den bekannten Lösungen mit 80° Bildwinkel. Ferner kompensiert sich die Wölbung der Sagittalschale auf Null und die der Meridionalschale auf einen Rest von 0,07f, was bei einem üblichen Laporoskopobjektiv mit f ≈ 3,5 mm zu einem kaum merklichen Restastigmatismus von 0,7 Dioptrien führt. Ein solches optisches System ist daher auch für Aufzeichnungen mit einer Videokamera hinter dem Endoskop geeignet.The endoscope objective according to the invention has an angle of view of 80 °. With this lens, the curvature of the meridional image shell is b _m ′ = + 0.26f and the curvature of the sagittal image shell is b _m ′ = + 0.08f, where f is the focal length of the endoscope lens. The distortion is -18.7%. The associated eyepiece 10 ( FIG. 2) is an achromatic lens with a focal length of F ≈ 5.28f. An angular magnification of the endoscope (in the manner of an inverted telescope) of 0.19 is thus achieved. The corresponding astigmatic values at the edge of the image are b _m ′ = -0.036F = -0.19f and b _m ′ = -0.016F = -0.08f. The distortion is + 3%. The overall distortion of the lens is 15.7% compared to almost 25% for the known solutions with an 80 ° angle of view. Furthermore, the curvature of the sagittal shell compensates for zero and that of the meridional shell for a remainder of 0.07f, which leads to a barely noticeable residual astigmatism of 0.7 diopters with a conventional lensoscope lens with f ≈ 3.5 mm. Such an optical system is therefore also suitable for recordings with a video camera behind the endoscope.

Ähnliche Korrektionen zeigt das in Tabelle 2 angegebene Endoskopobjektiv, in der die Brennweite f = 1, die bildseitige Schnittweite s′ = 1,39 und der Bildwinkel 2w = 80° ist. Similar corrections are shown by the endoscope objective shown in Table 2, in which the focal length f = 1, the image side Focal length s ′ = 1.39 and the image angle 2w = 80 °.

Tabelle 2 Table 2

Bemerkenswert ist, daß die hohe Korrektur mit einem Objektiv aus fünf Linsengliedern erreicht wird. Für geringere Bildwinkel als 80° und geringe Verzeichnungsanforderungen ist es auch möglich, unter Weglassung der schwachen Sammellinse 4 eine ähnliche optische Korrektur des Endoskops zu erreichen.It is noteworthy that the high correction is achieved with a lens consisting of five lens elements. For image angles smaller than 80 ° and low distortion requirements, it is also possible to achieve a similar optical correction of the endoscope by omitting the weak converging lens 4 .

Tabelle 3 Table 3

Brennweite f = 1; objektseitige Schnittweite s = -0,884; bildseitige (augenseitige) Schnittweite s′ = ∞ Focal length f = 1; object-side focal length s = -0.884; image-side (eye-side) focal length s ′ = ∞

Die Erfindung ist nicht an die dargestellten Ausführungsbeispiele gebunden. Vielmehr kann das Prisma 2 durch eine dickere Plankonvexlinse oder auch durch einen Luftweg ersetzt werden; zwischen dem Objektiv und dem Okular können sich ein oder mehrere Relaissysteme befinden.The invention is not tied to the exemplary embodiments shown. Rather, the prism 2 can be replaced by a thicker plano-convex lens or by an airway; one or more relay systems can be located between the objective and the eyepiece.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All in the description, the following claims and the Features shown in drawings can be both individually and also essential to the invention in any combination with one another be.

Claims

1. Objective for endoscopes, consisting of the following components arranged one after the other in the direction of light: a plano-convex lens, a plano-convex lens, preferably combined with a prismatic glass path, a collecting lens group containing a dispersing cement surface and a collecting field lens, characterized in that the lens group consists of a weak one There is a collecting lens and a collecting lens element, the distracting putty surface is hollow to the picture.

2. Lens according to claim 1, characterized in that the weak plano-convex converging lens.

3. Lens according to claim 1 or 2, characterized in that that the collecting lens member is plano-convex.

4. Lens according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that it has the following optical design data:

5. Lens according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that it has the following optical design data: