DE69911889T2

DE69911889T2 - Endoskop-Objektiv

Info

Publication number: DE69911889T2
Application number: DE69911889T
Authority: DE
Inventors: Shigeo Chuo-ku Kittaka; Nobuo Chuo-ku Shibayama
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1998-11-18
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2019-10-22
Also published as: JP2000147392A; DE69911889D1; TW434415B; EP1003059A3; EP1003059A2; EP1003059B1; US6252722B1; CN1254099A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Objektivlinse, die an dem distalen Ende eines Endoskops eingebaut werden muss, und im einzelnen eine endoskopische Weitwinkel-Objektivlinse, die einen Blickwinkel (einen Bereich, in welchem eine Abbildung mittels der Linse fokussiert werden kann) größer als 50° bereitstellt.
Endoskope sind derart konstruiert, dass eine reelle Abbildung, die mit einer bei dem distalen Ende eingebauten Objektivlinse erzeugt wird, durch optische Elemente zur Übertragung des Bildes zu einer Position übertragen wird, die für die Betrachtung geeignet ist. Geeignete optische Elemente zur Übertragung der Abbildung werden abhängig von der Verwendung von verschiedenen Arten von optischen Faserbündel- und Übertragungselementen ausgewählt, die sich aus einer gewöhnlichen Linse und einer Gradienten-Indexlinse zusammensetzen.
Aus der Sicht der Verwendung in Verbindung mit dem Endoskop ist es für die Objektivlinse an dem distalen Ende des Endoskops erforderlich, dass sie hinsichtlich des Durchmessers gering ist und dass sie dennoch das Vermögen des Ausbildens einer fokussierten Abbildung bei einem weiten Blickwinkel aufweist. Ein optisches Element, welches eine Vielzahl von sphärischen Linsen aufweist, ist in der Lage, ein weites Gesichtsfeld zu liefern, während verschiedene Aberrationen effektiv korrigiert werden. Jedoch resultiert die Verwendung einer Vielzahl von sphärischen Linsen, die einen Außendurchmesser geringer als 1 mm aufweisen, in erhöhten Herstellungskosten, die in Verbindung mit Schwierigkeiten hinsichtlich Polier-, Bestückungs- und Einstellungsoperationen der Linse stehen.
Um dieses Problem zu lösen, wird eine Stablinse, die einen Strahlbrechungs-Gradienten-Index in einer radialen Richtung aufweist, als eine kostengünstige Objektivlinse mit geringem Durchmesser vorgeschlagen. Die Stablinse kann auf einfache Weise und unter geringen Kosten durch Ionenaustausch und andere Techniken hergestellt werden, so dass sie einen Durchmesser aufweist, der nicht größer als 1 mm ist. Da ferner die Stablinse an beiden Seiten eben bzw. planar ist, bietet die Stablinse den Vorteil der deutlichen Vereinfachung bei der Polierung von beiden Endflächen, der Bestückung in einem Endoskop und des Erzielens einer Ausrichtung der optischen Achsen.
Der Brechungsindex einer stabförmigen Gradienten-Indexlinse wird als n(r)2 = n0 2·{1 – (g·r)2 + h4(g·r)4 + h6(g·r)6 + h8(g·r)8 + ...}ausgedrückt, wobei gilt:

r: Entfernung von der optischen Achse
n(r): Brechungsindex bei einer Entfernung r von der optischen Achse
n₀: Brechungsindex an der optischen Achse
r₀: effektiver Radius der Gradienten-Indexlinse
g: Gradienten-Index-Koeffizient (der zweiten Ordnung)
h₄, h₆, h₈,...: Gradienten-Index-Koeffizienten (höherer Ordnung).

Der Umfangsabschnitt der Gradienten-Indexlinse weist gewöhnlich eine größere Abweichung von dem Auslegungswert des Gradienten-Brechungsindexes auf und kann von daher nicht im wesentlichen als eine Linse verwendet werden. In einigen Fällen wird der Umfangsabschnitt der Linse lichtundurchlässig gemacht, um das aufgrund der Reflexion von den seitlichen Flächen der Linse hervorgerufene Streulicht zu verhindern. Von daher wird der Bereich der Gradienten-Indexlinse, der einen hinreichend guten Gradienten-Brechungsindex aufweist, um bei der Ausbildung einer fokussierten Abbildung mitzuwirken, als effektiver Radius r₀ definiert. Der effektive Radius r₀ einer Stablinse ist nicht notwendigerweise der gleiche wie ihr scheinbarer Radius.
Wenn der Blickwinkel einer stabförmigen, als Objektivlinse verwendeten Gradienten-Indexlinse als θ geschrieben wird, gilt die nachfolgende Beziehung: θ = n0·g·r0 (rad)
Es sei darauf hingewiesen, dass die später als vergleichendes Beispiel (siehe 17) bezeichnete Objektivlinse einen Blickwinkel θ von 38,7° hat.
Wenn eine Objektivlinse, die einen weiten Blickwinkel aufweist, zusammen mit einem Endoskop verwendet wird, dann kann der Gegenstand durch einen entsprechend weiten Bereich gesehen werden, der verschiedene Operationen mit dem Endoskop möglich macht bzw. erleichtert. Um den Blickwinkel θ der stabförmigen Gradienten-Indexlinse zu vergrößern, muss der Wert von n₀·g·r₀, und von daher die Differenz in dem Brechungsindex zwischen der Mitte und dem Umfang der Linse vergrößert werden. Jedoch wird allgemein behauptet, dass der Maximumwert von n₀·g·r₀ für die stabförmige Gradienten-Indexlinse, die auf einfache Weise mittels der gewöhnlichen, gegenwärtig verwendeten Ionenaustausch-Technik erzielt werden kann, nicht mehr als etwa 0,70 beträgt. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass es in beträchtlichem Maße schwierig oder fehlerhaft ist, eine stabförmige Weitwinkel-Gradienten-Indexlinse herzustellen, die einen Blickwinkel θ von 0,70 rad (d. h. etwa 40°) überschreitet.
Die japanische Patentschrift (JP-A-10090598) beschreibt eine kombinierte Linse, die eine Indexlinse mit verteiltem Strahlbrechungsindex vom Radialtyp aufweist, welche annähernd planare bzw. ebene Enden und eine homogene Linse aufweist, welche bei zumindest einer Seite eben ist, wobei diese in kurzer Entfernung angeordnet ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Von daher liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die zuvor genannten Probleme des Standes der Technik zu lösen, indem eine endoskopische Weitwinkel-Objektivlinse bereitgestellt wird, die auf einfache Weise mit geringen Kosten hergestellt werden kann.
Die endoskopische Objektivlinse der Erfindung weist eine Kombination einer einzelnen homogenen plankonvexen Linse mit einer einzelnen Gradienten-Indexlinse mit einem Gradienten im Brechungsindex in einer radialen Richtung hiervon auf, wobei

(1) entlang einer optischen Achse eine Objektebene, die plankonvexe Linse, die Gradienten-Indexlinse und eine Bildebene in dieser Reihenfolge angeordnet sind;
(2) beide Oberflächen der Gradienten-Indexlinse planar bzw. eben sind, und wobei deren Gradient im Brechungsindex ausgedrückt wird durch: n(r)2 = n0 2{1 – (g·r)2 + h4(g·r)4 + h6(g·r)6 + h8(g·r)8 + ...}wobei gilt: 1,45 ≤ n0 ≤ 1,90 0,45 ≤ n0·g·r0 ≤ 0,90unter der Voraussetzung, dass r: die Entfernung von der optischen Achse ist; n(r): der Brechungsindex bei einer Entfernung r von der optischen Achse ist; n₀: der Brechungsindex an der optischen Achse ist; r₀: der effektiver Radius der Gradienten-Indexlinse ist; g: der Gradienten-Index-Koeffizient (der zweiten Ordnung) ist; h₄, h₆, h₈,...: die Gradienten-Index-Koeffizienten (höherer Ordnung) sind; und
(3) die plankonvexe Linse ihre konvexe Oberfläche in Richtung der Gradienten-Indexlinse und ihre planare bzw. ebene Oberfläche in Richtung eines Objektes ausgerichtet hat, wobei ihr Brechungsindex n und ihr Krümmungsradius R der konvexen Oberfläche die folgende Beziehung erfüllen: 1,45 ≤ n ≤ 4,00 0,8r0 ≤ R ≤ 3,0r0 und die Bildebene entweder bei oder in der Nähe der planaren bzw. ebenen Oberfläche der Gradienten-Indexlinse angeordnet ist.

Der Begriff „effektiver Radius r₀ der Gradienten-Indexlinse", wie er in der Spezifikation verwendet wird, bezeichnet den Radius von dem Abschnitt der Linse, der effektiv als Fokussierlinse dient. Dieser kann als „Bereich, in welchem die RMS-Wellenfront-Aberration an der optischen Achse nicht größer als 0,07λ beträgt", definiert werden. Der effektive Radius r₀ der Gradienten-Indexlinse wirkt auf ihre Strahlbrechkraft ein und dient von daher bei der Auslegung als numerischer Bezug. Tatsächlich gibt es viele Fälle, in welchen sich der Umfangsabschnitt einer hergestellten Gradienten-Indexlinse deutlich von dem Auslegungswert des Gradienten-Brechungsindexes unterscheidet und darin versagt, die beabsichtigte Linsenaktion zu liefern. Beispielsweise weist eine Gradienten-Indexlinse einen nominalen Außendurchmesser von 1 mm auf, jedoch beträgt der Abschnitt der Linse, welcher die beabsichtigte Linsenaktion bereitstelle, 0,8 mm im Durchmesser. In diesem Fall beträgt der effektive Radius r₀ 0,4 mm.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine stabförmige Gradienten-Indexlinse mit einer plankonvexen Linse kombiniert, die einen homogenen Strahlbrechungsindex aufweist, und sie kann einen Blickwinkel größer als 50° bereitstellen. 1 zeigt den optischen Weg der endoskopischen Objektivlinse der Erfindung. Die plankonvexe Linse, welche durch die Bezugsziffer 10 angezeigt wird, ist vor der stabförmigen Gradienten-Indexlinse 12 vorgesehen, um den Winkel von schräg einfallendem Licht zu reduzieren, bevor das Licht in die stabförmige Gradienten-Indexlinse 12 eintritt. Eine Apertur-Blende 14 ist vor der plankonvexen Linse 10 vorgesehen, um das Umfangslicht abgesehen von dem Licht der optischen Achse auszulöschen. Die Gradienten-Indexlinse 12 bildet eine reelle Abbildung bei einer Endfläche 12a aus, und die derart ausgebildete reelle Abbildung wird durch ein Faserbündel 16 oder durch andere optische Elemente zur Übertragung der Abbildung zu einem Punkt übertragen, der zur Beobachtung geeignet ist. 2 zeigt den optischen Weg eines vergleichenden Falles, der nur aus der Gradienten-Indexlinse 12 besteht. Die Objektivlinse der Erfindung verwendet die Gradienten-Indexlinse 12, die den gleichen Wert von n₀·g·r₀ wie der vergleichende Fall aufweist, und sie liefert von daher einen weiteren Blickwinkel.
Die in der Erfindung verwendete Gradienten-Indexlinse ist derart ausgelegt, dass ihr axialer Strahlbrechungsindex n₀ zwischen 1,45 (einschließlich) und 1,90 (einschließlich) liegt, und dieses definiert den Bereich, über welchen die Linse in der Praxis mittels Ionenaustausch und anderen Techniken hergestellt werden kann. Der Wert von n₀·g·r₀, der der Strahlbrechkraft entspricht, wird so eingestellt, dass er zwischen 0,45 (einschließlich) und 0,90 (einschließlich) liegt. Unterhalb der unteren Grenze 0,45 ist der erzielte Blickwinkel zu schmal. Wie bereits erwähnt, liegt die obere Grenze, die auf einfache Weise durch die gegenwärtige Ionenaustausch-Technik erzielt werden kann, bei etwa 0,7, und in Anbetracht von zukünftigen Verbesserungen bei der Glaszusammensetzung ist es äußerst schwierig, Gradienten-Indexlinsen mit Werten von n₀·g·r₀ größer als 0,90 herzustellen. Selbst wenn die Gradienten-Indexlinse einen Wert von n₀·g·r₀ von 0,90 aufweist, liegt der Blickwinkel θ, der ausschließlich mittels der Gradienten-Indexlinse erzielt werden kann, bei 0,9 rad (etwa 52°).
Der effektive Radius r₀ der Gradienten-Indexlinse liegt in bevorzugter Weise in dem Bereich von 0,05 mm (einschließlich) bis 0,5 mm (einschließlich). Um die Gesamtgröße des optischen Elements zu reduzieren und um Aberrationen bzw. Bildfehler der Linse zu minimieren, beträgt r₀ in bevorzugter Weise nicht mehr als 0,5 mm. Eine Linse mit r₀ weniger als 0,5 mm ist äußerst schwierig herzustellen.
In der vorliegenden Erfindung werden die sphärische Aberration und die Feldkrümmung des gesamten optischen Elements mittels Gradienten-Index-Koeffizienten h₄, h₆, h₈,... korrigiert. Zur Vereinfachung seien die Terme von h₆ und höherer Ordnungen Null und der Gradienten-Brechungsindex der Gradienten-Index-Linse sei durch: n(r)2 = n0 2·{1 – (g·r)2 + h4(g·r)4}abgeschätzt. Der Wert von h₄ liegt in bevorzugter Weise in dem Bereich von –4 (einschließlich) bis +3 (einschließlich). Eine Gradienten-Indexlinse mit h₄ von weniger als –4 oder größer als +3 ist äußerst schwierig herzustellen.
Eine andere Eigenschaft der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass der Strahlbrechungsindex n der plankonvexen Linse zwischen 1,45 (einschließlich) und 4,00 (einschließlich) liegt. Diese Bedingung ist notwendig, um sicherzustellen, dass nicht nur optisches Glas und Kunststoffe, sondern auch spezielle Glassorten, Kristalle mit hohem Brechungsindex und Halbleiter als Linsenmaterialien verwendet werden können. Viele Halbleiter sind für sichtbares Licht lichtundurchlässig, jedoch weisen sie im infraroten Bereich sehr hohe Strahlbrechungsindices auf, die, wie nachfolgend angezeigt, verwendet werden können:
AlP n = 3,03
AlAs n = 3,18
A1Sb n = 3,79
GaP n = 3,45
GaAs n = 3,62
GaSb n = 3,82
InP n = 3,40
(„Bishokogaku Handobukku (Handbook of Microoptics)", hrsg. von der Japan Society of Applied Physics und der Society of Optics of Japan, veröffentlicht durch Asakura Shoten, 1995, S. 224).
Der Krümmungsradius R der konvexen sphärischen Oberfläche der plankonvexen Linse wird auf den effektiven Radius r₀ der Gradienten-Indexlinse bezogen, und er ist derart eingestellt, dass er zwischen 0,8r₀ (einschließlich) und 3,0 (einschließlich) liegt. Wenn R weniger als 0,8r₀ beträgt, ist es schwierig, Aberrationen zu korrigieren. Wenn R mehr als 3,0r₀ beträgt, kann kein weites Gesichtsfeld sichergestellt werden.
Wenn die plankonvexe Linse aus optischem Glas oder einem Kunststoff hergestellt ist, liegt ihr Strahlbrechungsindex n etwa zwischen 1,45 (einschließlich) und 2,2 (einschließlich). Von daher beträgt der bevorzugte Bereich von R oder der Krümmungsradius der konvexen sphärischen Oberfläche der plankonvexen Linse bei 0,8r₀ (einschließlich) bis 1,95 r₀ (einschließlich).
Der Radius der plankonvexen Linse ist in bevorzugter Weise so eingestellt, dass er nahezu gleich dem der Gradienten-Indexlinse ist, mit welcher sie kombiniert ist. Durch das Schleifen und Polieren eines Teiles von Linsen, die in Massen herrstellbar sind, wie etwa Kugellinsen, können plankonvexe Linsen mit geringem Durchmesser unter geringen Kosten hergestellt werden, selbst wenn sie im allgemeinen die Form einer Halbkugel aufweisen; von daher kann die Verwendung von solchen plankonvexen Linsen mit geringem Durchmesser die Zunahme der gesamten Herstellungskosten unterdrücken.
Anhand der vorangehenden Diskussion kann abgeleitet werden, dass die endoskopische Objektivlinse der Erfindung in bevorzugter Weise die folgenden Bedingungen erfüllt: (1) 0,05 mm ≤ r0 ≤ 0,5 mm (2) 1,45 mm ≤ n ≤ 2,20 (3) 0,8 r0 ≤ R ≤ 1,95 r0 (4) Blickwinkel ≥ 50°.
Eine Deckröhre kann die plankonvexe Linse und die Gradienten-Indexlinse derart tragen, dass die plankonvexe Linse und die Gradienten-Indexlinse koaxial ausgerichtet sind, und dass eine Endoberfläche der Gradienten-Indexlinse näher an einer konvexen Oberfläche der plankonvexen Linse als an einer planaren bzw. ebenen Oberfläche der plankonvexen Linse angeordnet ist, und dass ein Blickwinkel, in welchem eine fokussierte Abbildung eines Objektes unter Verwendung einer Kombination der plankonvexen Linse und der Gradienten-Indexlinse ausgebildet werden kann, größer als 50° hinsichtlich der optischen Achse sein kann.
Eine Apertur-Blende kann gegenüber der Gradienten-Indexlinse hinsichtlich der plankonvexen Linse angeordnet sein, und die Apertur-Blende kann an der Planaren bzw. ebenen Oberfläche der plankonvexen Linse befestigt sein.
In bevorzugter Weise steht die Endoberfläche der Gradienten-Indexlinse ferner in Kontakt mit der konvexen Oberfläche der plankonvexen Linse.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den beigefügten Zeichnungen gilt folgendes:
1 zeigt den optischen Weg in der endoskopischen Objektivlinse der Erfindung;
2 zeigt den optischen Weg in einem vergleichenden Beispiel;
3 zeigt, wie ein Beispiel der endoskopischen Objektivlinse der Erfindung bestückt ist;
4 zeigt die Konfiguration der Auslegung Nr. 1 sowie die laterale chromatische Aberration, Feldkrümmung und Verzeichnung bzw. Verzerrung, die sich in dieser Auslegung entwickeln;
5 zeigt die Konfiguration der Auslegung Nr. 2 sowie die laterale chromatische Aberration, Feldkrümmung und Verzeichnung bzw. Verzerrung, die sich in dieser Auslegung entwickeln;
6 zeigt die Konfiguration der Auslegung Nr. 3 sowie die laterale chromatische Aberration, Feldkrümmung und Verzeichnung bzw. Verzerrung, die sich in dieser Auslegung entwickeln;
7 zeigt die Konfiguration der Auslegung Nr. 4 sowie die laterale chromatische Aberration, Feldkrümmung und Verzeichnung bzw. Verzerrung, die sich in dieser Auslegung entwickeln;
8 zeigt die Konfiguration der Auslegung Nr. 5 sowie die laterale chromatische Aberration, Feldkrümmung und Verzeichnung bzw. Verzerrung, die sich in dieser Auslegung entwickeln;
9 zeigt die Konfiguration der Auslegung Nr. 6 sowie die laterale chromatische Aberration, Feldkrümmung und Verzeichnung bzw. Verzerrung, die sich in dieser Auslegung entwickeln;
10 zeigt die Konfiguration der Auslegung Nr. 7 sowie die laterale chromatische Aberration, Feldkrümmung und Verzeichnung bzw. Verzerrung, die sich in dieser Auslegung entwickeln;
11 zeigt die Konfiguration der Auslegung Nr. 8 sowie die laterale chromatische Aberration, Feldkrümmung und Verzeichnung bzw. Verzerrung, die sich in dieser Auslegung entwickeln;
12 zeigt die Konfiguration der Auslegung Nr. 9 sowie die laterale chromatische Aberration, Feldkrümmung und Verzeichnung bzw. Verzerrung, die sich in dieser Auslegung entwickeln;
13 zeigt die Konfiguration der Auslegung Nr. 10 sowie die laterale chromatische Aberration, Feldkrümmung und Verzeichnung bzw. Verzerrung, die sich in dieser Auslegung entwickeln;
14 zeigt die Konfiguration der Auslegung Nr. 11 sowie die laterale chromatische Aberration, Feldkrümmung und Verzeichnung bzw. Verzerrung, die sich in dieser Auslegung entwickeln;
15 zeigt die Konfiguration der Auslegung Nr. 12 sowie die laterale chromatische Aberration, Feldkrümmung und Verzeichnung bzw. Verzerrung, die sich in dieser Auslegung entwickeln;
16 zeigt die Konfiguration der Auslegung Nr. 13 sowie die laterale chromatische Aberration, Feldkrümmung und Verzeichnung bzw. Verzerrung, die sich in dieser Auslegung entwickeln;
17 zeigt die Konfiguration des vergleichenden Beispiels sowie die laterale chromatische Aberration, Feldkrümmung und Verzeichnung bzw. Verzerrung, die sich in diesem Beispiel entwickeln; und
18 ist eine graphische Darstellung von MTF gegenüber der Entfernung von der Abbildungsebene.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Um eine endoskopische Objektivlinse der Erfindung herzustellen, werden eine plankonvexe Linse mit einem homogenen Strahlbrechungsindex und eine Gradienten-Indexlinse mit einem Gradienten-Brechungsindex integral ausgeführt, wobei ihre optischen Achsen ausgerichtet werden. Ein Beispiel der Struktur der Zusammenstellung ist in 3 gezeigt. Das Nachfolgende stellt eine empfohlene Prozedur zur Zusammenstellung der beiden Linsen dar. Wie in 3A gezeigt, wird eine Apertur-Blende 14 mit einer mittigen Öffnung 14a in einem Plattenelement bei oder an der Planaren bzw. ebenen Seite der plankonvexen Linse 10 eingebaut oder befestigt. Dann werden, wie es in 3B gezeigt wird, die Gradienten-Indexlinse 12 und ein Faserbündel 16, bei beiderseitigem Anstoßen in einer Deckröhre 18 eingeschlossen, und die plankonvexe Linse 10 wird mit der auf der in 3A gezeigten Weise befestigten Apertur-Blende 14 in den distalen Endabschnitt der Deckröhre 18 derart eingesetzt, dass ihre konvexe Oberfläche in Kontakt mit einer Endfläche der Gradienten-Indexlinse 12 steht. Dieses liefert eine einfache Weise, die jeweiligen Teile zu einer vollständigen Form zu bestücken. Um sie zu verbinden, besteht das bevorzugte Verfahren darin, ein UV-aushärtbares Kunstharz anzuwenden und es zu gestatten, dass es durch Belichtung mit UV-Bestrahlung aushärtet.
Die Objektivlinse der Erfindung wird in bevorzugter Weise mit Licht, einschließlich sichtbarem Licht, bei Wellenlängen von etwa 0,3 bis 2 μm verwendet. UV-Licht bei Wellenlängen kürzer als 0,3 μm werden im wesentlichen durch das Linsenmaterial absorbiert. In Anbetracht der Verwendung eines CCD oder einer Bildaufnahmeröhre beträgt die geeignete Wellenlänge von Licht nicht mehr als 2 μm.
Die endoskopische Objektivlinse der Erfindung wird ausschließlich aus Linsen hergestellt, die einen positiven Strahlbrechungsindex aufweisen, und von daher hat sie Schwierigkeiten bei der Korrektur chromatischer Aberrationen zur Folge. Jedoch sind in Linsen mit geringem Durchmesser (≤ 1 mm) die absoluten Werte der chromatischen Aberrationen hinnehmbar klein. Um ferner die chromatischen Aberrationen zu reduzieren, ist es bevorzugt, die plankonvexe Linse aus Materialien mit geringer Dispersion herzustellen, wie etwa optisches Glas, welches Lanthan enthält. Es braucht nicht darauf hingewiesen zu werden, dass chromatische Aberrationen kein Problem darstellen, wenn monochromatisches Licht verwendet wird.
Abhängig von der speziellen Anwendung eines Endoskops und der Art und Weise, wie es verwendet wird, können nicht nur verschiedene Arten von Faserbündeln, sondern auch optische Elemente zur Weiterleitung als optische Elemente zur Abbildungsübertragung verwendet werden, welche eine gewöhnliche Linse und eine Gradienten-Indexlinse aufweisen.
(Beispiele)
Spezielle Auslegungen der endoskopischen Objektivlinse der Erfindung werden nachfolgend in den Tabellen 1–3 zusammen mit einem vergleichenden Beispiel (unter Verwendung von lediglich der Gradienten-Indexlinse) gezeigt. Sämtliche Auslegungswerte, mit Ausnahme der für die Auslegung Nr. 13, sind gegenüber dem effektiven Radius r₀ der Gradienten-Indexlinse normalisiert, welcher als 1 angenommen wird. In der Auslegung Nr. 13 wird die Länge in Millimetern ausgedrückt, um MTF-Werte zu berechnen. In jeder Auslegung und in dem vergleichenden Beispiel wird eine Endfläche genommen, vorausgesetzt, dass ein Faserbündel als optisches Element zur Übertragung der Abbildung in Kontakt mit der Endfläche gebracht worden ist. Die Position der Abbildungsebene stimmt nicht mit dem paraxialen Brennpunkt überein, da die erstgenannte derart ermittelt wird, um sicherzustellen, dass eine befriedigende Abbildung über den gesamten Bereich der Blickwinkel erzeugt wird.
In jeder Auslegung gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Blickwinkel größer als 50°. Im einzelnen sollte darauf hingewiesen werden, dass mit Ausnahme der Auslegung Nr. 3 der Blickwinkel sogar weiter als 55° ist.
Die Konfigurationen der jeweiligen Auslegungsnummern sowie die laterale chromatische Aberration, Feldkrümmung und Verzerrung bzw. Verzeichnung, die in diesen erzeugt werden, sind in den 4 bis 16 gezeigt. Die Konfiguration des vergleichenden Beispiels sowie die laterale chromatische Aberration, die Feldkrümmung und Verzerrung bzw. Verzeichnung, die in ihm entwickelt werden, sind in 17 gezeigt. In jeder dieser Figuren wird die laterale chromatische Aberration für drei Fälle, an der optischen Achse, bei 0,7-mal der Objekthöhe und bei 1,0-mal der Objekthöhe angezeigt. Es sei darauf hingewiesen, dass in den Auslegungen Nr. 6 und 10, die sich auf eine unendliche Linse beziehen, die laterale chromatische Aberration für die folgenden drei Fälle angezeigt wird: an der optischen Achse, bei 0,7-mal dem Blickwinkel und bei 1,0-mal dem Blickwinkel. DY und DX stellen jeweils die Aberrationen in tangentialer und sagittaler Richtung dar, wobei r₀ als Einheit (1) angenommen wird. FY und FX stellen die Positionen dar, in welchen die Lichtstrahlen durch die Apertur-Blende hindurchlaufen, wobei die Enden von diesen den Radius der Blende definieren. Die Feldkrümmung wird sowohl in sagittaler Richtung 5 als auch in tangentialer Richtung T ausgedrückt; die Länge wird mit r₀ als Einheit angenommen, und das Ende einer jeden vertikalen Achse definiert die Abbildungshöhe. Die horizontale Achse der graphischen Darstellung der Verzerrung bzw. Verzeichnung wird durch Prozent eingeteilt, und das Ende der vertikalen Achse stellt die Abbildungshöhe dar. In jeder der Darstellungen, die die Linsenkonfiguration anzeigen, bezeichnet die Bezugsziffer 10 die plankonvexe Linse, die den homogenen Strahlbrechungsindex aufweist, die Bezugsziffer 12 bezeichnet die Gradienten-Index-Linse, die Bezugsziffer 12a bezeichnet ihre Endfläche (die mit der Abbildungsebene übereinstimmt), und die Bezugsziffer 14 bezeichnet die Apertur-Blende.
In der Auslegung Nr. 13 wurde unter Berücksichtigung der Größe der tatsächlich verwendeten Objektivlinse der Radius der Gradienten-Indexlinse als 0,125 mm angenommen, und die MTF-Werte werden berechnet. 18 zeigt die MTF-Werte (100 Linienpaare pro Millimeter) für die Auslegung Nr. 13 in der Nähe der Abbildungsebene. T stellt eine tangentiale Abbildung und S eine sagittale Abbildung dar. In der Auslegung Nr. 13 sind größere Klammern an der Umfangsabbildung als in anderen Positionen der Abbildungsebene angeordnet, und MTF-Werte von wenigstens etwa 60% sind bei den zuvor erwähnten drei Punkten, auf der Achse, 0,7-mal der Objekthöhe und 1,0-mal der Objekthöhe sichergestellt. Wenn die Position der Abbildungsebene zu der besten Position an der optischen Achse geändert wird (0,01 mm von der Abbildungsebene) wird ein Maximum von etwa 80% für den axialen MTF-Wert erzielt.

Claims

Eine endoskopische Objektivlinse, welche eine Kombination einer einzelnen homogenen plankonvexen Linse (10) mit einem homogenen Brechungsindex und einer einzelnen Gradientenindexlinse (12) mit einem Gradienten im Brechungsindex in einer radialen Richtung hiervon aufweist, wobei (1) entlang einer optischen Achse eine Objektebene, die plankonvexe Linse, die Gradientenindexlinse und eine Bildebene in dieser Reihenfolge angeordnet sind; (2) beide Oberflächen der Gradientenindexlinse planar sind und deren Gradient im Brechungsindex ausgedrückt wird als n(r)2 = n0 2·{1 – (g·r)2 + h4(g·r)4 + h6(g·r)6 + h8(g·r)8 + ...}wobei: 1,45 ≤ n0 ≤ 1,90 0,45 ≤ n0·g·r0 ≤ 0,90vorausgesetzt, dass r: Entfernung von der optischen Achse n(r): Brechungsindex bei einer Entfernung r von der optischen Achse n₀: Brechnungsindex an der optischen Achse r₀: effektiver Radius der Gradientenindexlinse g: Gradientenindexkoeffizient der zweiten Ordnung h₄, h₆, h₈,.... Gradientenindexkoeffizienten höherer Ordnung; und (3) die plankonvexe Linse ihre konvexe Oberfläche in Richtung der Gradientenindexlinse und ihre planare Oberfläche in Richtung eines Objektes ausgerichtet hat, wobei ihr Brechungsindex n und ihr Krümmungsradius r der konvexen Oberfläche die folgende Beziehung erfüllen: 1,45 ≤ n ≤ 4,00 0,8r0 ≤ R ≤ 3,0r0 und die Bildebene entweder bei oder in der Nähe der planaren Oberfläche der Gradientenindexlinse angeordnet ist.
Endoskopische Objektlinse gemäß Anspruch 1, welche die folgenden Konditionen erfüllt: (1) 0,05 mm ≤ r0 ≤ 0,5 mm (2) 1,4 ≤ n ≤ 2,20 (3) 0,8 r0 ≤ R ≤ 1,95 r0 (4) Betrachtungswinkel ≥ 50°.
Objektivlinse gemäß Anspruch 1, die folgendes aufweist: eine Deckröhre (18), welche die plankonvexe Linse und die Gradientenindexlinse derart trägt, dass die plankonvexe Linse und die Gradientenindexlinse koaxial ausgerichtet sind und eine Endoberfläche der Gradiertenindexlinse näher an der konvexen Oberfläche der plankonvexen Linse als zu der Planaren Oberfläche der plankonvexen Linse angeordnet ist, und wobei ein Betrachtungswinkel, in welchem unter Verwendung einer Kombination der plankonvexen Linse und der Gradientenindexlinse ein hineinfokussiertes Bild eines Objektes ausgebildet werden kann, größer als 50° hinsichtlich der optischen Achse ist.
Objektivlinse gemäß Anspruch 1, die ferner folgendes aufweist: eine Aperturblende (14), die gegenüber der Gradientenindexlinse (12) in Bezug auf die plankonvexe Linse (10) angeordnet ist.
Objektivlinse gemäß Anspruch 4, wobei die Aperturblende (14) an der Planaren Oberfläche der plankonvexen Linse befestigt ist.
Objektivlinse gemäß Anspruch 1, wobei die Endoberfläche der Gradientenindexlinse (12) in Kontakt mit der konvexen Oberfläche der plankonvexen Linse (10) steht.