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Dokumentenidentifikation DE19858785C2 05.09.2002
Titel Endoskopobjektiv sowie Endoskop mit einem derartigen Objektiv
Anmelder Karl Storz GmbH & Co. KG, 78532 Tuttlingen, DE
Erfinder Lei, Fang, Dr.-Ing., 78591 Durchhausen, DE
DE-Anmeldedatum 18.12.1998
DE-Aktenzeichen 19858785
Offenlegungstag 06.07.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 05.09.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.09.2002
IPC-Hauptklasse G02B 13/24
IPC-Nebenklasse G02B 23/24   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Endoskopobjektiv gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf ein Endoskop mit einem derartigen Objektiv.

Herkömmliche Endoskope weisen ein distal angeordnetes Objektiv auf, das ein Bild der zu betrachtenden Szene entwirft, und einen Bildweiterleiter, der das vom Objektiv entworfene Bild vom distalen zum proximalen Ende des Endoskops überträgt, an dem es beispielsweise mit einem Okular betrachtet oder mit einer Videokamera aufgenommen wird. Der Bildweiterleiter besteht hierbei zumeist aus Linsensystemen, den Relaislinsensystemen, die das Bild jeweils aus einer in die nächste Zwischenbildebene abbilden. Endoskopobjektive müssen einen sehr großen Gesichtsfeldwinkel (2w bis zu 80°) erreichen, und alle Linsen müssen einen gleichermaßen kleinen Durchmesser haben, so daß sie in einem engen Rohr unterzubringen sind.

Die bei bekannten Endoskopen verwendeten Objektive bestehen in der Regel aus 2 Linsen oder Linsengruppen, die durch die Aperturblende getrennt sind; hier und im folgenden wird, da zumeist weitere abbildende Systeme nachgeschaltet sind, unter "Aperturblende" auch das Bild der Aperturblende verstanden. Die in Strahlrichtung erste Linse oder Linsengruppe, die vor der Aperturblende angeordnet ist, hat negative Brechkraft, um einen möglichst großen Bildfeldwinkel zu gewinnen, und besteht in der Regel aus einer einzigen negativen Linse. Nach der Aperturblende ist eine zweite Linsengruppe angeordnet, deren Gesamtbrechkraft positiv ist und die in der Regel aus mehreren Linsen besteht. Die Aperturblende zwischen den beiden Linsengruppen wird im vorderen Fokuspunkt der zweiten Linsengruppe plaziert, damit die Hauptstrahlen auf der Bildseite parallel zur optischen Achse verlaufen; dies ist günstig für die Ankopplung an die Relaislinsensysteme. Zu dem vorstehend genannten Stand der Technik wird auf die Fig. 1 bis 3c der US-PS 5,005,957 oder den Artikel "Telecentric relay systems having distortion and their application in endoscopes" von Eberhard Dietzsch, SPIE Vol. 2774, Seite 276 bis 281, verwiesen.

Nachteilig bei den beschriebenen bekannten Endoskopobjektiven ist die starke, vom Gesichtsfeldwinkel abhängige, negative, d. h. tonnenförmige Verzeichnung, die beispielsweise bei einem Gesichtsfeldwinkel 2w = 70°. . . 80° Werte von -20% . . . -25% erreicht. Bislang besteht - hierzu wird auf den zweiten Abschnitt des genannten Artikels verwiesen - die Auffassung, daß diese Verzeichnung von Endoskopobjektiven zumindest dann nicht reduziert werden kann, wenn das Objektiv ausschließlich Linsen in Standard-Technik, d. h. mit sphärischen Flächen und konstantem Brechungsindex, aufweist.

In der US-PS 5,005,957 wird deshalb vorgeschlagen, Linsen mit asphärischen Flächen zu verwenden. Hierdurch gelingt es, die Verzeichnung auf wenige Prozent zu reduzieren. Da man asphärische Flächen in vielen Fällen durch Linsen aus einem Material mit axial variierendem Brechungsindex ersetzen kann, ist auch vorgeschlagen worden, die Verzeichnung der bekannten Endoskopobjektive durch den Einsatz von Linsen zu korrigieren, deren Brechungsindex in axialer Richtung variiert. Sowohl die Verwendung von Linsen mit asphärischen Flächen als auch die Verwendung von Linsen mit variierendem Brechungsindex führen zu zusätzlichem Fertigungsaufwand gegenüber herkömmlichen Objektiven mit sphärischen Flächen und Materialien mit konstantem Brechungsindex, sowie aufgrund von Fertigungstoleranzen zu zusätzlichen Bildfehlern am Bildrand.

Aus dem bereits genannten Artikel von Eberhard Dietzsch ist es ferner bekannt, unsymmetrische Relaislinsensysteme zu verwenden, deren Verzeichnung entgegengesetzt der Verzeichnung des Objektivs ist und diese damit teilweise korrigiert. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß die Korrektur von der Zahl der verwendeten Relaislinsensysteme und damit von der Länge des jeweiligen Endoskops abhängt. Außerdem sind unsymmetrische Relaislinsensysteme in der Herstellung aufwendiger als symmetrische. Die Unsymmetrie führt darüber hinaus prinzipiell zusätzliche Bildfehler ein wie Koma und laterale chromatische Fehler, die z. T. schwer korrigierbar sind.

Einen anderen Ansatz verfolgt die JP 60-80816 A, wonach in der in Strahlrichtung ersten Linsengruppe wenigstens eine positive Linse und wenigstens eine negative Meniskuslinse vorgesehen sind, um die Verzeichnung zu kompensieren. Nach der JP 2-293709 A besteht die erste Linsengruppe aus zwei Gruppen, wobei eine negative Linse oder ein negatives Kittglied in Strahlrichtung zuerst angeordnet ist. Gemäß der EP 0 571 725 A1 besteht die erste Linsengruppe aus zwei Meniskuslinsen mit jeweils negativer Brechkraft. Objektive, die Meniskuslinsen enthalten, insbesondere in der ersten Linsengruppe, haben jedoch den Nachteil, daß diese schwierig zu zentrieren sind, da die Krümmungsmittelpunkte beider Linsenflächen auf derselben Seite der Linse liegen, vor allem dann, wenn die beiden Krümmungsmittelpunkte nahe beieinander liegen. Dies gilt umso mehr, wenn zwei oder mehr Meniskuslinsen nacheinander angeordnet sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Endoskopobjektiv anzugeben, das auch bei großen Gesichtsfeldwinkeln von bis zu 80° nur eine Verzeichnung aufweist, die vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen wird, wobei die Elemente des Objektivs und das Endoskopobjektiv selbst einfach herzustellen und zu montieren sein sollen.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2ff.

Damit ist es entgegen dem in der Fachwelt herrschenden Vorurteil doch möglich, Endoskopobjektive des genannten Typs in Standard-Technik so auszulegen, daß die Verzeichnung des Objektivs auf einen Wert reduziert werden kann, der vom Betrachter nicht als störend empfunden wird. Insbesondere kann der Absolutwert der Gesamt-Verzeichnung damit auf einen Wert von weniger als 6%, typischerweise sogar auf 4% oder noch weniger reduziert werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Beitrag einer Linse zur Gesamt-Verzeichnung des Objektivs nach Größe und Vorzeichen von der Brechkraft der Linse und von der Position der Linse relativ zur Aperturblende bestimmt wird. Je nachdem, ob die Aperturblende vor einer Linse oder dahinter liegt, hat dieser Beitrag unterschiedliche Vorzeichen. Der Abstand zwischen der Aperturblende und der Linse bestimmt die Größe des Beitrags zur Verzeichnung. Ebenso bestimmt die Brechkraft einer Linse in bekannter Weise Vorzeichen und Größe des Beitrags der Linse zur Gesamt-Verzeichnung des Systems.

Erfindungsgemäß wird eine nahezu vollständige Korrektur der Verzeichnung des Objektivs dadurch erreicht, daß die erste Linsengruppe nur aus zwei Linsen besteht, von denen die eine positive und die andere negative Brechkraft hat, wobei die positive Linse in der ersten Linsengruppe in Strahlrichtung vor der Linse mit negativer Brechkraft angeordnet ist und bei dieser Linse die Brechkraft und der Abstand von der Aperturblende derart bemessen sind, daß die von dieser Linse erzeugte Verzeichnung die Gesamt-Verzeichnung des Objektivs auf einen Wert reduziert, der von einem Betrachter nicht als störend empfunden wird. Die negative Linse in der ersten Linsengruppe ist eine bikonkave oder eine plankonkave Linse. Die Bestimmung der Parameter der zusätzlichen Linse(n) sowie die Anpassung der übrigen Elemente des Objektivs kann in bekannter Weise unter Benutzung gebräuchlicher Optik-Design-Software erfolgen.

Besonders überraschend ist dabei, daß es mit dieser erfindungsgemäßen Konzeption möglich ist, nicht nur die Verzeichnung auf nicht störende Werte zu reduzieren, sondern auch die anderen Bildfehler weiterhin gut zu korrigieren. Überraschend ist auch, daß die Auflösung der erfindungsgemäßen Objektive gegenüber herkömmlichen Endoskopobjektiven mit sphärischen Flächen und Linsen mit konstanten Brechungsindex erhöht werden kann: Die Auflösung der erfindungsgemäßen Objektive ist in der Mitte um 20% und am Rand sogar um 50% besser als die bekannter Endoskopobjektive.

Ferner kann die Bildfeldkrümmung des Objektivs in bekannter Weise so gewählt werden, daß sie die Bildfeldkrümmungen der Relaislinsensysteme kompensiert. Selbstverständlich kann das Bildfeld des Objektivs auch eben sein.

Bei der Erfindung ist zur Reduzierung der Verzeichnung lediglich in der ersten Linsengruppe eine Linse mit positiver Brechkraft vorgesehen, die insbesondere vor der zweiten Linse mit negativer Brechkraft angeordnet sein kann; eine Linse mit positiver Brechkraft vor der Aperturblende erzeugt eine positive Verzeichnung, die die negative Verzeichnung, die das Objektiv sonst hätte, kompensiert. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der Abstand von der Aperturblende, der für die Größe der Verzeichnung entscheidend ist, vergleichsweise groß sein kann, so daß eine positive Linse relativ geringer Brechkraft zur Korrektur der Verzeichnung ausreicht. Die positive Linse kann eine bikonvexe oder eine plankonvexe Linse sein. Sie kann mit der negativen Linse in der ersten Linsengruppe verkittet sein oder einen kleinen Luftabstand davon haben.

Hierbei wird eine positive Verzeichnung durch die zusätzlich eingeführte Linse erzeugt, die die negative Verzeichnung des Objektivs auf die genannten kleinen (negativen) Werte reduziert. Die Anpassung der übrigen Parameter des optischen Systems, die aufgrund der zusätzlich eingeführten Linse notwendig ist, kann in bekannter Weise mit den gängigen Methoden und Werkzeugen des Optik-Designs erfolgen.

Das erfindungsgemäße Endoskopobjektiv kann insbesondere in einem Endoskop eingesetzt werden, bei dem der Bildweiterleiter weitgehend verzeichnungsfrei ist und insbesondere wenigstens ein symmetrisches Relaissystem mit Stablinsen aufweist. Aber auch in einem Endoskop mit einem flexiblen Bildweiterleiter und auch in einem Endoskop mit einem distal angeordneten elektronischen Bildaufnehmer ist ein erfindungsgemäßes Objektiv vorteilhaft einzusetzen. Unter "Endoskop" werden hier auch andere Arten von Sehrohren, etwa Periskope, verstanden.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht naher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1a ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem in der ersten Linsengruppe eine positive Linse zur Korrektur der Verzeichnung vorgesehen ist,

Fig. 1b eine Modifikation dieses Ausführungsbeispiels,

Fig. 1c eine weitere Modifikation dieses Ausführungsbeispiels.

In den Figuren sind Linsenschnitte der Ausführungsbeispiele dargestellt. Ferner sind in Fig. 1a und c jeweils 3 Strahlen (1 Hauptstrahl und 2 Randstrahlen) von mehreren Objektpunkten aus dem Gesichtsfeld dargestellt, in Fig. 1b sind ein marginaler Strahl aus der Gesichtsfeldmitte und ein Hauptstrahl vom Gesichtsfeldrand eingezeichnet, und in Fig. 2 sind die optische Achse und ein Hauptstrahl vom Gesichtsfeldrand dargestellt. In allen Figuren sind die Flächen von 1 an fortlaufend durchnumeriert, wobei die Zählung auf der Objektseite beginnt.

In den Tabellen 1a bis 1c und 2 sind die numerischen Daten für die entsprechenden Ausführungsbeispiele angegeben. Die Zahlen sind teilweise gerundet.

Die planparallele Platte, die von den Flächen 1 bzw. 2 gebildet wird, ist das Deckglas des Objektivs, während die planparallele Platte, die von den Flächen 6 bis 8 (Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a), den Flächen 7 bis 9 (Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1b), den Flächen 6 bis 8 (Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1c) bzw. den Flächen 5 bis 7 (Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2) gebildet wird, in der Praxis auch ein Umlenkprisma zur Änderung der Blickrichtung sein kann. Anstelle dieser zweiten planparallelen Platte könnte auch ein entsprechender Luftabstand vorgesehen sein.

In Ausführungsbeispiel 1a enthält die erste Linsengruppe eine negative Linse (Flächen 4 und 5), der zur Korrektur der Verzeichnung eine positive Zusatzlinse (Flächen 3 und 4) vorgeschaltet ist, die mit der negativen Linse verkittet ist. Die erste Linsengruppe hat insgesamt eine negative Brechkraft, um einen großen Gesichtsfeldwinkel zu erreichen. Die zweite Linsengruppe besteht hier aus drei Achromaten (Flächen 8 bis 10, 13 bis 15 und 18 bis 20) und aus einer positiven (Flächen 11 und 12) und einer negativen (Flächen 16 und 17) Einzellinse. Der erste Achromat, die positive Einzellinse und der zweite Achromat, d. h., die Flächen 8 bis 15, könnten auch, mit etwas verschlechterten Eigenschaften, durch einen einzigen Achromat ersetzt werden. Insgesamt hat die zweite Linsengruppe eine positive Brechkraft. Die Aperturblende befindet sich virtuell im vorderen Fokuspunkt der zweiten Linsengruppe, d. h., hier in der zweiten planparallelen Platte (zwischen den Flächen 6 und 8), damit die Hauptstrahlen auf der Bildseite parallel zur optischen Achse verlaufen; die reelle Aperturblende ist weiter hinten, in einem der Relaislinsensysteme, so angeordnet, daß ihr Bild in den vorderen Fokuspunkt der zweiten Linsengruppe fällt.

Die vorhandene negative Einzellinse (Flächen 16 und 17) in der zweiten Linsengruppe dient, wie bei den genannten bekannten Objektiven, der Korrektur der verschiedenen Abbildungsfehler; sie erzeugt zwar positive Verzeichnung, die aber nicht groß genug ist, um die negative Verzeichnung des gesamten Systems zu kompensieren. Hierzu dient die positive Linse in der ersten Linsengruppe (Flächen 3 und 4), deren Brechkraft und Abstand von der virtuellen Aperturblende so bemessen sind, daß die Verzeichnung des gesamten Systems praktisch vollständig korrigiert wird.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1b ist ähnlich dem nach Fig. 1a aufgebaut, jedoch besteht die zweite Linsengruppe aus drei Achromaten (Flächen 8 bis 10, 13 bis 15 und 16 bis 18) und nur noch einer positiven Einzellinse (Flächen 11 und 12). Der Ort der Aperturblende ist in der zweiten planparallelen Platte (Flächen 6 bis 8). Der gegenüber dem Ausführungsbeispiel 1a veränderte Aufbau der zweiten Linsengruppe hat den Vorteil größerer Einfachheit bei ebenso guter Abbildungsqualität.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1c ist wiederum ähnlich dem nach Fig. 1a aufgebaut, jedoch ist die zur Korrektur der Verzeichnung eingeführte positive Zusatzlinse in der ersten Linsengruppe (Flächen 3 und 4) nicht mit der negativen Linse der ersten Linsengruppe (Flächen 5 und 6) verkittet, sondern hat einen kleinen Luftabstand von dieser. Der Ort der Aperturblende ist innerhalb der zweiten planparallelen Platte (Flächen 7 bis 9). Die zweite Linsengruppe besteht, wie in Ausführungsbeispiel 1a, aus 3 Achromaten (Flächen 9 bis 11, 14 bis 16 und 19 bis 21) und aus einer positiven (Flächen 12 und 13) und einer negativen (Flächen 17 und 18) Einzellinse, wobei die ersten beiden Achromate und die positive Einzellinse (Flächen 9 bis 16) durch einen einzigen Achromat ersetzt werden könnten. Die zweite Linsengruppe ist an die gegenüber dem Ausführungsbeispiel 1a veränderten Eigenschaften der ersten Linsengruppe angepaßt.

Alle numerisch angegebenen Ausführungsbeispiele weisen eine tonnenförmige Verzeichnung (negative Verzeichnung) von ca. 4% bei einem Gesichtsfeldwinkel 2w von ca. 80° auf. Eine Verzeichnung mit einem Betrag von 4% oder weniger wird normalerweise vom menschlichen Auge nicht mehr wahrgenommen. Damit ist keine weitergehende Kompensation der Verzeichnung mehr erforderlich. Tab. 1a



Tab. 1b



Tab. 1c




Anspruch[de]
  1. 1. Endoskopobjektiv mit

    einer in Strahlrichtung ersten Linsengruppe, deren Gesamtbrechkraft negativ ist,

    einer Aperturblende, die nach der ersten Linsengruppe angeordnet ist, und

    einer zweiten Linsengruppe, deren Gesamtbrechkraft positiv ist und die nach der Aperturblende angeordnet ist,

    wobei alle Linsen als optisch wirksame Flächen nur sphärische Flächen aufweisen und nur aus Materialien mit homogenem Brechungsindex bestehen,

    wobei in der ersten Linsengruppe eine Linse mit positiver Brechkraft vorgesehen ist und

    wobei die positive Linse in der ersten Linsengruppe in Strahlrichtung zuerst angeordnet ist und

    bei dieser Linse die Brechkraft und der Abstand von der Aperturblende derart bemessen sind, daß die von dieser Linse erzeugte Verzeichnung die Gesamt-Verzeichnung des Objektivs auf einen Wert reduziert, der von einem Betrachter nicht als störend empfunden wird,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß die erste Linsengruppe aus nur zwei Linsen besteht, von denen die eine positive und die andere Linse negative Brechkraft hat und

    daß die negative Linse in der ersten Linsengruppe eine bikonkave oder eine plankonkave Linse ist.
  2. 2. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Linse in der ersten Linsengruppe eine bikonvexe Linse ist.
  3. 3. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Linse in der ersten Linsengruppe eine plankonvexe Linse ist.
  4. 4. Objektiv nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der bildseitigen Fläche der positiven Linse in der ersten Linsengruppe größer als die der objektseitigen Fläche ist.
  5. 5. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die positive und die negative Linse in der ersten Linsengruppe miteinander verkittet sind.
  6. 6. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die positive und die negative Linse in der ersten Linsengruppe einen kleinen Luftabstand voneinander haben.
  7. 7. Endoskop mit einem Objektiv und einem Bildweiterleiter, der das Bild des Objektivs vom distalen Ende zum proximalen Ende überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.






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