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Dokumentenidentifikation DE3712453A1 20.10.1988
Titel Weitwinkel-Objektiv für Endoskope
Anmelder Richard Wolf GmbH, 7134 Knittlingen, DE
Erfinder Zobel, Jürgen, Dipl.-Math., 7518 Bretten, DE
Vertreter Wilcken, H., Dr.; Wilcken, T., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 2400 Lübeck
DE-Anmeldedatum 11.04.1987
DE-Aktenzeichen 3712453
Offenlegungstag 20.10.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.10.1988
IPC-Hauptklasse G02B 13/24
IPC-Nebenklasse G02B 13/16   G02B 9/06   H04N 3/15   
IPC additional class // G02B 23/26  

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Weitwinkel-Objektiv für Endoskope, insbesondere für Video-Endoskope mit einem Halbleiter-Bildwandler und für Endoskope mit einem Fiberbildleiter, im wesentlichen bestehend aus einem distal und objektseitig angeordneten, mit seiner Hohlfläche dem Objekt zugewandten Bauelement sowie einer dem optischen System gegebenenfalls zugeordneten Blende.

An Objektive dieser Art wird die Forderung gestellt, daß sie bei kleinem Durchmesser eine geringe Baulänge haben. Dies läßt sich jedoch mit den bisher bekannten Optiken nicht ohne weiteres oder nur durch entsprechend hohen Aufwand erreichen, wenn außerdem ein großer Bild- bzw. Objektfeldwinkel und eine gute Korrektur des optischen Systems erzielt werden sollen.

Der Baugröße sind aber gewisse Grenzen gesetzt, da für die Mittendicken, die Randdicken und auch für die Scheitelabstände der Linsen Mindestwerte gelten, so daß insbesondere die Baulänge der Objektive nicht beliebig reduziert werden kann.

Wenn das Objektiv beispielsweise aus zwei Achromaten besteht, läßt sich auch keine einwandfreie Korrektur der Bildfeldwölbung erreichen, da die hierzu erforderlichen negativen Brechkräfte im optischen Gesamtsystem fehlen.

Die Folge ist ein starker Abfall der Schärfe am Randbereich. Deshalb sind solche optischen Systeme meist nur einsetzbar, wenn der geforderte Objektfeldwinkel maximal 60° beträgt, falls nicht ein entsprechend hoher Aufwand für eine Begrenzung der Bildfehler durch eine Randvignettierung getrieben wird.

Da die flexiblen Endoskopen mit einem Fiberbildleiter und auch bei flexiblen Video-Endoskopen mit einem als Chip ausgebildeten Bildwandler der distale starre Endteil der Endoskope möglichst kurz sein soll, einerseits aber bei Video- Endoskopen durch den Bildwandler, die Elektronik und dergleichen der starre Endteil über die Baulänge des Objektives distalwärts hinausgeht und andererseits bei Endoskopen mit Fiberbildleiter zur Objektbaulänge das in einer Metallhülse starr eingekittete Ende des Fiberbündels hinzukommt, ist es verständlich, daß gerade bei solchen Endoskopen die Kürze des Objektives von entscheidender Bedeutung ist.

Dementsprechend besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Weitwinkel-Objektives für Endoskope, das bei einfachem Aufbau, ausreichender Korrektur und großem Objektfeldwinkel eine geringe Baulänge zuläßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird das eingangs erwähnte Weitwinkel- Objektiv erfindungsgemäß so ausgebildet, daß das bildseitige Bauelement ebenfalls als Meniskus ausgebildet ist und daß für beide Menisken die folgenden Beziehungen

α > 85°

nd > 1,7

Vd > 40

∞ > | r 1 | > |r 2 |

| r 3 | < | r 4 | ≙ ∞

2F < f 1 < 3F



mit folgenden Bedeutungen gelten:

α = Objektfeldwinkel

nd = Berechnungsindex für die Wellenlänge d

Vd = Abbe-Zahl für die Wellenlänge d

d = 580 nm

r 1 = objektseitiger Radius des distalen Meniskus

r 2 = bildseitiger Radius des distalen Meniskus

r 3 = objektseitiger Radius des proximalen Meniskus

r 4 = bildseitiger Radius des proximalen Meniskus

F = Gesamtweite des Objektivs

f 1 = Brennweite des distalen Meniskus

f 2 = Brennweite des proximalen Meniskus.



Besonders günstige Abmessungen ergeben sich für ein solches Objektiv, wenn dem Objektivaufbau für die Baulänge L des Objektivs und den diagonal durch die Sensorfläche des Bildwandlers bzw. den durch die Eintrittsfläche des Fiberbildleiters gelegten Durchmesser D die Beziehung L < 2D zu Grunde gelegt wird.

Die Vorteile eines mit dem erfindungsgemäßen Objektiv distalseitig ausgestatteten Endoskops bestehen insbesondere in dessen universeller Einsetzbarkeit aufgrund der geringen Abmessungen dieses Objektivs.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt jeweils in symbolischer Darstellung

Fig. 1 ein erfindungsgemäß ausgeführtes Objektiv mit zwei Menisken, die das Bild auf einen elektronischen Bildwandler prozizieren,

Fig. 2 eine Anordnung entsprechend Fig. 1 mit einer proximal angeordneten Sonderlinse in Plan-Konvex-Ausführung,

Fig. 3 ein erfindungsgemäß ausgeführtes Objektiv mit zwei Menisken, die das Bild auf einen Fiberbildleiter projizieren, und

Fig. 4 eine Anordnung entsprechend Fig. 3 mit einer proximal angeordneten Sonderlinse in Plan-Konvex-Ausführung.

In einer lediglich teilweise dargestellten Rohrhülse 1 am distalseitigen Ende des nicht gezeigten flexiblen Tubus eines Video-Endokops üblicher Bauart ist entsprechend Fig. 1 das ein Objektiv bildende optische System untergebracht. Dieses besteht aus einem ersten, mit seiner konkaven Fläche dem Objekt zugewandten distalen Meniskus 2, dem eine Blende 3 derart vorgeschaltet ist, daß ein Objekt- bzw. Gesichtsfeldwinkel 4 von α~100° offengehalten wird. Der objektseitige Krümmungsradius r 1 dieses ersten Meniskus 2 ist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit 2,5 cm und der bildseitige r 2 mit 1,7 cm ausgeführt.

Dem ersten Meniskus 2 ist ein zweiter Meniskus 5 nachgeordnet, derart, daß dessen konvexe Fläche dem ersten Meniskus 2 zugewandt ist und demzufolge die konkave Fläche die Bildseite bildet. Die Objektivseite dieses zweiten Meniskus 5 weist einen Krümmungsradius von r 3 = 2,3 cm und die Bildseite einer solchen von r 4 = 6,5 cm auf. Das von diesem Linsensystem erzeugte Bild wird auf ein als Bildwandler fungierendes CCD-Element 6 projiziert, welches das Bild des Objektes in bekannter Weise in elektronische Signale umsetzt, die über ein in dem flexiblen Tubus des Endoskops befindliches elektrisches Kabel an das Empfangssystem weitergegeben werden.

Fig. 2 zeigt eine gleichermaßen die beanspruchten Parameter aufweisende Alternativausführung des Objektes, bei dem der erste Meniskus 2 objektseitig den Krümmungsradius r 1 = 2,5 cm besitzt und bildseitig mit r 2 = 1,4 cm aufgeführt ist, während der zweite Meniskus 7 eine Sonderheit aufweist insofern, daß sein objektseitiger Krümmungsradius r 3 = 2,75 cm mißt und der bildseitige r 4 = ∞ ist, das heißt, diese Fläche plan ist.

Fig. 3 stellt das Objektiv eines mit einem Fiberbildleiter ausgestatteten Endoskops dar, bei dem die entsprechend Fig. 1 angeordneten Menisken 2 und 5 hinsichtlich ihrer Krümmungsradien in Anpassung an den runden Querschnitt des Fiberbildleiterbündels 8 verändert sind. So ist der objektseitige Krümmungsradius des ersten Meniskus 2 mit r 1 = 2,25 cm, der bildseitige desselben und der objektseitige des zweiten Meniskus 5 mit r 2 = 1,7 cm bzw. r 3 = 2,3 cm entsprechend der Ausführung nach Fig. 1 belassen und der bildseitige Krümmungsradius des zweiten Meniskus mit r 4 = 5,75 cm ausgebildet.

In Fig. 4 schließlich ist in Analogie zu der Darstellung nach Fig. 2 das Objekt eines Fiberbildleiter-Endoskops gezeigt, bei dem der erste Meniskus 2 objektseitig mit einem Krümmungsradius von r 1 = 2,25 cm und bildseitig mit einem solchen von r 2 = 1,83 cm ausgeführt ist, während der zweite Meniskus 7 wiederum eine plane bildseitige Fläche, das heißt, eine solche mit dem Krümmungsradius r 4 = ∞ besitzt und objektseitig mit r 3 = 2,72 cm ausgebildet ist.

Unter Berücksichtigung der vorher erwähnten Daten und Beziehungen ergeben sich rechnerisch für die vier dargestellten Objektive folgende Werte, falls von α = 100° ausgegangen wird.

Wenn man bei den Objektiven nach den Fig. 1 und 2 z. B. für die beiden Menisken Vd = 46,5 und nd = 1,8 ansetzt, ergeben sich für das Objektiv nach Fig. 1 die Beziehungen 3,6 = 2F < f 1 < 3,81 < 3F = 5,4 und f 2 = 3,99 > F · f 1F 1-F = 3,41 sowie für das Objektiv nach Fig. 2 die Beziehungen 3,6 = 2F < f 1 = 4,35 < 3F = 5,4 und f 2 = 3,41 > F · f 1/f 1-F = 3,07.

Bei den Objektiven entsprechend den Fig. 3 und 4 gelten beispielsweise für den jeweils distalen Meniskus die Werte Vd = 41 und nD = 1,88 und für den jeweils proximalen Meniskus die Werte Vd = 50 und nd = 1,79. Hieraus folgen dann für das Objektiv nach Fig. 3 die Beziehungen 3,6 = 2F < f 1 = 3,72 < 3F = 5,4 und f 2 = 4,29 > F · f 1/f 1-F = 3,41 und für das Objektiv nach Fig. 4 die Beziehungen 3,6 = 2F < f 1 = 4,51 < 3F = 5,4 und f 2 = 3,43 > F · f 1/f 1-F = 2,99.


Anspruch[de]
  1. 1. Weitwinkel-Objektiv für Endoskope, insbesondere für Video- Endoskope mit einem Halbleiter-Bildwandler und für Endoskope mit einem Fiberbildleiter, im wesentlichen bestehend aus einem distal und objektseitig angeordneten, mit seiner Hohlfläche dem Objekt zugewandten Meniskus, einem weiteren optischen und bildseitig angeordneten Bauelement sowie einer dem optischen System gegebenenfalls zugeordneten Blende, dadurch gekennzeichnet, daß das bildseitige Bauelement ebenfalls als Meniskus (5, 7) ausgebildet ist und daß für beide Menisken (2; 5, 7) die folgenden Beziehungen

    α > 85°

    nd > 1,7

    Vd > 40

    ∞ > | r 1 | > |r 2 |

    | r 3 | < | r 4 | ≙ ∞

    2F < f 1 < 3F


    mit folgenden Bedeutungen gelten:

    a = Objektfeldwinkel

    nd = Berechnungsindex für die Wellenlänge d

    Vd = Abbe-Zahl für die Wellenlänge d

    d = 580 nm

    r 1 = objektseitiger Radius des distalen Meniskus

    r 2 = bildseitiger Radius des distalen Meniskus

    r 3 = objektseitiger Radius des proximalen Meniskus

    r 4 = bildseitiger Radius des proximalen Meniskus

    F = Gesamtbrennweite des Objektivs

    f 1 = Brennweite des distalen Meniskus

    f 2 = Brennweite des proximalen Meniskus.



  2. 2. Weitwinkel-Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Baulänge L des Objektives und den diagonal durch die Sensorfläche des Bildwandlers (6) bzw. den durch die Eintrittsfläche des Fiberbildleiters (8) gelegten Durchmesser D die Beziehung L < 2D gilt.






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