DE9218289U1 - endoscope - Google Patents
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Endoskopendoscope
Die Erfindung betrifft Endoskope mit einem Optiksystem, die aus im wesentlichen einem Objektiv, einem mehrstufigen Leitsystem und einem Okular bestehen.The invention relates to endoscopes with an optical system which essentially consists of an objective lens, a multi-stage guidance system and an eyepiece.
Solche bekannten Optiksysteme bestehen aus vielen optischen Glas- und/oder Kunststofflinsen, die in einem Metallrohr fixiert und gefaßt und deshalb insbesondere für starre Endoskope geeignet sind. Die verhältnismäßig große Bildübertragung der einzelnen Linsen bzw. Linsenkombinationen erlaubt keine Verwendung in flexiblen Endoskopen.Such known optical systems consist of many optical glass and/or plastic lenses, which are fixed and mounted in a metal tube and are therefore particularly suitable for rigid endoscopes. The relatively large image transmission of the individual lenses or lens combinations does not allow use in flexible endoscopes.
Aus Glas hergestellte Linsen sind"gegenüber solchen aus Kunststoff hergestellten wesentlich teurer, denn der Bearbeitungsprozeß bei Glaslinsen ist sehr zeitaufwendig und schwierig. Bei solchen Glaslinsen müssen die Oberflächen nämlich durch Polieren hergestellt werden, um so eine plane, konvexe, konkave oder asphärische Ausbildung zu erhalten.Lenses made of glass are significantly more expensive than those made of plastic, because the processing of glass lenses is very time-consuming and difficult. With such glass lenses, the surfaces must be polished in order to achieve a flat, convex, concave or aspherical shape.
Aus Kunststoff hergestellte Glaslinsen sind preiswerter, denn sie sind gegenüber Glaslinsen in großen Stückzahlen durch Spritzgießen herstellbar und kosten etwa 1/10 vergleichbarer Glaslinsen. Allerdings sind die optischen Übertragungsqualitäten von Kunststofflinsen gegenüber Glaslinsen deutlich schlechter.Glass lenses made from plastic are cheaper because they can be produced in large quantities using injection molding compared to glass lenses and cost about 1/10 of comparable glass lenses. However, the optical transmission qualities of plastic lenses are significantly worse than glass lenses.
Unabhängig aber von diesen preislichen Unterschieden weisen solche aus Glas oder Kunststoff hergestellten herkömmlichen Optiken aber auch qualitative Mängel auf, nämlich unvermeidbare Abbildungsfehler, die aufgrund des physikalischen Prinzips der Lichtbrechung entstehen.Regardless of these price differences, however, such conventional optics made of glass or plastic also have qualitative defects, namely unavoidable imaging errors that arise due to the physical principle of light refraction.
So spielt bei solchen optischen Systemen die sphärische Aberration eine wichtige Rolle. Das von solchen Optiken geschaffene Bild erscheint unscharf, weil Strahlen, die auf den Randbereich der Linse auftreffen, eine kürzere Brennweite haben als solche, die nahe der optischen Achse einfallen. Zum Ausgleich dieser Aberration werden Linsen unterschiedlicher Materialien und Krümmungen hintereinander angeordnet.Spherical aberration plays an important role in such optical systems. The image created by such optics appears blurred because rays that hit the edge area of the lens have a shorter focal length than those that fall close to the optical axis. To compensate for this aberration, lenses made of different materials and curvatures are arranged one behind the other.
Ein weiterer Nachteil bei solchen herkömmlichen Optiken ist die chromatische Aberration, die dadurch entsteht, daß herkömmliche Linsen für blaues Licht eine kürzere Brennweite als für rotes Licht haben. Diese chromatische Aberration hat man bisher dadurch korrigiert, daß Linsen aus Materialien mit unterschiedlichen dispersiven Eigenschaften miteinander verklebt wurden. Solche Linsenanordnungen sind jedoch kompliziert und teuer.Another disadvantage of such conventional optics is the chromatic aberration, which occurs because conventional lenses for blue light have a shorter focal length than for red light. This chromatic aberration has so far been corrected by gluing lenses made of materials with different dispersive properties together. However, such lens arrangements are complicated and expensive.
Aus diesen vorstehend geschilderten Gegebenheiten folgte, daß herkömmliche Endoskope mit sehr aufwendigen LJnsensystemen arbeiten mußten, die nur sehr langwierig und kostenintensiv herzustellen waren.The above-mentioned circumstances meant that conventional endoscopes had to work with very complex lens systems that were very time-consuming and expensive to manufacture.
Aufgabe der Erfindung ist es nun Endoskope mit Optiksystemen zu schaffen, die in ihrem Aufbau einfacher sind, mit einer geringeren Anzahl von Einzellinsen und/oder Linsenkombinationen auskommen und darüber hinaus auch kostengünstiger herzustellen sind, wobei insbesondere erreicht werden soll, daß sphärische und chromatische Aberrationen und sonstige Bildfehler möglichst vollständig ausgeschlossen bzw. beseitigt und deren Schäfte darüber hinaus flexibel ausgebildet werden können.The object of the invention is to create endoscopes with optical systems which are simpler in their construction, require a smaller number of individual lenses and/or lens combinations and are also more cost-effective to manufacture, whereby the aim is in particular to ensure that spherical and chromatic aberrations and other image errors are excluded or eliminated as completely as possible and that their shafts can also be designed to be flexible.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem solchen Endoskopen zumindest Teile des Optiksystems aus binäroptischen Elementen bestehen.This task is solved by the fact that in such an endoscope at least parts of the optical system consist of binary optical elements.
Binäroptische Elemente sind bekannt, sie wirken nicht durch die vorbeschriebene Lichtbrechung, sondern zerlegen an ihrer Oberfläche die einfallende Wellenfront in unzählige Elementarwellen, die sich zu einer neuen, auf den gewünschten Brennpunkt gerichteten Gesamtwelle überlagern. Solche diffraktiven, also lichtbeugenden Elemente sind gegenüber refraktiven optischen Elementen dünner und folglich auch leichter, sie bieten deshalb den Vorteil, daß mit solchen binäroptischen Elementen bestückte Endoskope ebenfalls leichter und damit für den Operateur besser handhabbar sind. Ihre Verwendung bringt aber den besonderen Vorteil, daß bei ihnen keine sphärische Aberration auftritt.Binary optical elements are well known; they do not work through the above-described refraction of light, but break down the incident wave front into countless elementary waves on their surface, which overlap to form a new overall wave directed at the desired focal point. Such diffractive, i.e. light-bending elements are thinner than refractive optical elements and therefore also lighter, so they offer the advantage that endoscopes equipped with such binary optical elements are also lighter and thus easier for the surgeon to handle. Their use, however, has the particular advantage that no spherical aberration occurs.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung besteht das Optiksystem vollständig aus binäroptischen Elementen. In an advantageous development of the invention, the optical system consists entirely of binary optical elements.
Hierdurch kann die Anzahl der in ein Optiksystem für Endoskope einzubauenden Einzellinsen
stark vermindert werden, es ergibt sich dadurch eine wesentlich bessere optische Übertragung
(Transmission) und Bildqualität, da nämlich weniger qualitative und quantitative
Verluste an den einzelnen Linsenoberflächen auftreten.
5This allows the number of individual lenses to be installed in an optical system for endoscopes to be greatly reduced, resulting in significantly better optical transmission and image quality, as fewer qualitative and quantitative losses occur on the individual lens surfaces.
5
In weiterer vorteilhafter Ausbildung der Erfindung ist jeweils eine refraktive Optik mit einer binären Optik zu einem achromatischen optischen System innerhalb des Gesamtoptiksystems kombiniert.In a further advantageous embodiment of the invention, a refractive optic is combined with a binary optic to form an achromatic optical system within the overall optical system.
Mit dieser Kombination kann die chromatische Aberration von herkömmlichen refraktiven Optiken ausgeglichen werden kann, denn binäre Optiken haben eine entgegengesetzte chromatische Aberration, d.h., sie haben für blaues Licht eine längere Brennweite als für rotes. Die Kombination einer binären Optik mit eine refraktiven Optik gleicht folglich die chromatische Aberration vollständig aus.With this combination, the chromatic aberration of conventional refractive optics can be compensated because binary optics have an opposite chromatic aberration, i.e. they have a longer focal length for blue light than for red light. The combination of a binary optic with a refractive optic therefore completely compensates for the chromatic aberration.
Schließlich können die einzelnen binäroptischen Elemente sehr dünn und im Durchmesser sehr klein ausgeführt werden und gestatten somit die Herstellung von Miniaturendoskopen.Finally, the individual binary optical elements can be made very thin and very small in diameter, thus allowing the production of miniature endoscopes.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.
20Embodiments of the invention are described below with reference to the drawings.
20
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 das Anordnungsschema eines aus herkömmlichen refraktiven Optiken bestehenden
achromatischen Endoskop-Linsensystems,
25Fig. 1 shows the arrangement diagram of an achromatic endoscope lens system consisting of conventional refractive optics,
25
Fig. 2 das Anordnungsschema eines aus herkömmlichen refraktiven Optiken bestehenden Stablinsensystems,Fig. 2 shows the arrangement diagram of a rod lens system consisting of conventional refractive optics,
Fig. 3 das Anordnungsschema eines aus einer Kombination von refraktiven und diffraktiven Optiken bestehenden achromatischen Linsensystems,Fig. 3 shows the arrangement diagram of an achromatic lens system consisting of a combination of refractive and diffractive optics,
Fig. 4 einen Vergrößerungs-Ausschnitt aus Fig. 3,Fig. 4 is an enlarged detail of Fig. 3,
Fig. 5 die Kombination eines diffraktiven Korrektionselementes mit einer herkömmlichen refraktiven Linse,Fig. 5 the combination of a diffractive correction element with a conventional refractive lens,
Fig. 6 eine diffraktive Linse mit konvex/plan ausgebildeten Oberflächen,
Fig. 7 eine diffraktive Linse mit bikonvex ausgebildeten Oberflächen undFig. 6 a diffractive lens with convex/flat surfaces,
Fig. 7 a diffractive lens with biconvex surfaces and
Fig. 8 eine Linsenkombination bestehend aus einer diffraktiven und einer refrak-Fig. 8 a lens combination consisting of a diffractive and a refractor
tiven Linse, bei welcher die plan/konvexe Linse aus einem anderen Material bestehen kann.tive lens, where the plano/convex lens can be made of a different material.
Die in den Fig. 1 und 2 abgebildeten herkömmlichen, also aus refrakliven Optiken bestehenden Linsensysteme für starre Endoskope bestehen im wesentlichen aus jeweils einem ein Objektiv 1 bzw. 1', ein Leitsystem 2 bzw. 2' und ein Okular 3 bzw. 3' bildendes Linsensystem, wobei in Fig. 1 ein achromatisches Optiksystem und in Fig. 2 ein Stablinsensystem abgebildet sind.The conventional lens systems for rigid endoscopes shown in Fig. 1 and 2, i.e. consisting of refractile optics, essentially consist of a lens system forming an objective 1 or 1', a guide system 2 or 2' and an eyepiece 3 or 3', whereby an achromatic optical system is shown in Fig. 1 and a rod lens system is shown in Fig. 2.
Zur Vermeidung der sphärischen und/oder chromatischen Aberration werden bei diesen bekannten Systemen Kombinationen von refraktiven Linsen eingesetzt, wobei sich das Optiksystem nach Fig. 1 dadurch auszeichnet daß es eine sehr große Anzahl von Linsenkombinationen aufweist. Das Optiksystem nach Fig. 2 vermeidet durch die Verwendung von Stablinsen die Anordnung einer größeren Anzahl von Linsenkombinationen.In order to avoid spherical and/or chromatic aberration, combinations of refractive lenses are used in these known systems, whereby the optical system according to Fig. 1 is characterized by the fact that it has a very large number of lens combinations. The optical system according to Fig. 2 avoids the arrangement of a large number of lens combinations by using rod lenses.
In Fig. 3 ist ein aus refraktiven und diffraktiven Optiken zusammengesetztes Optiksystem für ein Endoskop dargestellt, welches wiederum aus einem Objektiv 1", einem Leitsystem 2* und einem Okular 3" besteht. Die in dieser Abbildung gezeigten Linsenkombinationen bestehen aus jeweils einer refraktiven und diffraktiven Linse, dazu wird auf Fig. 4 verwiesen, in welcher die vergrößerte Oberfläche der Linsenkombination 4 aus dem Leitsystem 2" abgebildet ist.Fig. 3 shows an optical system for an endoscope composed of refractive and diffractive optics, which in turn consists of an objective lens 1", a guidance system 2* and an eyepiece 3". The lens combinations shown in this figure each consist of a refractive and a diffractive lens. For this, reference is made to Fig. 4, in which the enlarged surface of the lens combination 4 from the guidance system 2" is shown.
Wie diese vergrößerte Oberfläche der Binäroptik zeigt, sind in ihr bestimmte Strukturen eingearbeitet, welche im Gegensatz zu refraktiven Linsen den optisch gewünschten Erfolg nicht durch Brechung, sondern durch Beugung der Lichtwellen herbeiführen.As this enlarged surface of the binary optics shows, certain structures are incorporated into it which, in contrast to refractive lenses, achieve the optically desired result not through refraction but through diffraction of the light waves.
In den Fig. 5 bis 8 sind einzelne Linsenformen jeweils geschnitten dargestellt. So zeigt Fig. 5 eine Kombination aus einer herkömmlichen Linse 5 mit konvex/plan ausgebildeten Oberflächen 6 bzw. 7, wobei der konvexen Oberfläche 6 ein diffraktives Korrektionselement 8 mit seiner strukturierten Oberfläche 9 gegenüberliegt. Beide Linsen 5 bzw. 8 können aus Glas oder Kunststoff hergestellt sein.In Figs. 5 to 8, individual lens shapes are shown in section. Fig. 5 shows a combination of a conventional lens 5 with convex/flat surfaces 6 and 7, with a diffractive correction element 8 with its structured surface 9 lying opposite the convex surface 6. Both lenses 5 and 8 can be made of glass or plastic.
Fig. 6 zeigt eine Linse 10 mit konvex/plan ausgebildete Oberflächen 11 bzw. 12, wobei die konvexe Oberfläche 11 binäre Strukturen 13 aufweist.Fig. 6 shows a lens 10 with convex/planar surfaces 11 and 12, respectively, wherein the convex surface 11 has binary structures 13.
Fig.7 zeigt eine ähnlich ausgebildete Linse 14, die jedoch anstelle einer planen Oberfläche eine ebenfalls konvex ausgebildete Oberfläche 15 besitzt.Fig.7 shows a similarly designed lens 14, which, however, instead of a flat surface, has a convex surface 15.
In Fig. 8 ist schließlich ein Ausführungsbeispiel einer Linsenkombination 16 mit konvex/plan ausgeführten Oberflächen 17 bzw. 18 abgebildet, bei welchem jedoch die die binären Strukturen aufweisende konvexe .Oberfläche 17 aus einem Glas- oder Kunststoffteil 19 besteht, welches auf der planen Fläche 20 der Linse 16 aufgeklebt oder aufgespritzt ist.Finally, Fig. 8 shows an embodiment of a lens combination 16 with convex/flat surfaces 17 and 18, respectively, in which, however, the convex surface 17 having the binary structures consists of a glass or plastic part 19, which is glued or sprayed onto the flat surface 20 of the lens 16.
Sämtliche vorbeschriebenen Linsenkombinationen können sein Glas/Glas, Glas/Kunststoff oder Kunststoff/Kunststoff, weiterhin können bei den Linsen dieser Kombinationen die Flächen plan/konvex oder asphärisch ausgeführt sein.All of the lens combinations described above can be glass/glass, glass/plastic or plastic/plastic, and the surfaces of the lenses in these combinations can also be flat/convex or aspherical.
Binäroptiken sind im Gegensatz zu den bisher üblichen refraktiven Optiken wesentlich kostengünstiger herzustellen, beispielsweise durch die Anwendung des einfachen Ätzens bei der Herstellung der Oberflächen, durch die Anwendung der Lasertechnik, wie sie bei der Halbleiterherstellung eingesetzt wird, durch die Verwendung kunststoffgespritzter Oberflächen und auch dadurch, daß die bei refraktiven Linsen häufig erforderliche Antireflexbeschichtung unnötig wird.In contrast to the refractive optics that have been used up to now, binary optics are much more cost-effective to manufacture, for example by using simple etching to produce the surfaces, by using laser technology as used in semiconductor production, by using plastic-injected surfaces and also by making the anti-reflective coating that is often required for refractive lenses unnecessary.
Auch können durch die Verwendung von Binäroptiken wesentlich kompliziertere ünsenformen in verhältnismäßig unproblematischer Weise produziert werden.By using binary optics, much more complicated lens shapes can be produced in a relatively unproblematic manner.
Durch die Verwendung von Binäroptiken in Endoskopoptiksystemen können neben der chromatischen und sphärischen Aberration auch andere Bildfehler korrigiert werden, beispielsweise Verzeichnung, Vignettierung, Astigmatismus, Coma und optische Pfaddifferenzen. By using binary optics in endoscope optics systems, in addition to chromatic and spherical aberration, other image errors can also be corrected, such as distortion, vignetting, astigmatism, coma and optical path differences.
Schließlich können binäroptische Linsen bis zu einem Durchmesser von nur 0,1 mm hergestellt
werden, wodurch der Bau sehr dünner Endoskope möglich wird, was z.B. deren Einsatz
in der Medizintechnik erweitert.
35Finally, binary optical lenses can be manufactured with a diameter of only 0.1 mm, which makes it possible to build very thin endoscopes, which expands their use in medical technology, for example.
35
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1992
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