DE19532400A1 - Stereoendoskop mit abgewinkelter Blickrichtung - Google Patents

Description

In den verschiedensten Anwendungsbereichen der Endoskopie, u. a. auch in der Laparoskopie und Arthroskopie, sind neben Endoskopen mit unveränderter Blickrichtung auch Endoskope mit einer um beispielsweise 30° abgewinkelten Blickrichtung erforderlich. Die Abwinklung der Blickrichtung erfüllt dabei hauptsächlich zwei Aufgaben: Zum einen wird dadurch der nutzbare Sehfeldwinkel um das doppelte der Abwinklung erhöht, indem das Endoskop um 180° um seine Achse gedreht wird. Zum anderen können sonst nur schwer zugängliche und schwer einsehbare Bereiche des Operationsfeldes bequem in die Sehfeldmitte gebracht werden. Dies stellt in vielen praktischen Anwendungsfällen eine entscheidende Erleichterung dar; ist doch die gleichzeitige Beobachtung eines hinreichend großen Umfeldes für den Operateur eine notwendige Voraussetzung für sicheres Arbeiten.

Aus der US-A-4 061 135 ist bereits ein Stereoendoskop bekannt, bei dem vor der distalen Frontoptik ein zur Achse des Endoskoprohres geneigter Spiegel angeordnet ist. Da Endoskope jedoch üblicherweise einen großen Sehfeldwinkel von 50° und mehr aufweisen, muß ein solcher distaler Umlenkspiegel von seinen Abmessungen größer als der Durchmesser des Optikrohres sein, wenn der Spiegel nicht zu einem Beschnitt des Bildfeldes führen soll.

Darüber hinaus sind Monoendoskope mit abgewinkelter Blickrichtung bekannt, bei denen die distale Frontoptik ein oder mehrere die optische Achse umlenkende Reflexionsprismen aufweisen. Als Beispiele hierfür seien die DE-A 9 37 193, EP-A1-0 571 725, DE-C3-24 30 148, DE-C2-35 37 155, US-A-4 138 192, US-A-4 815 833, DE-C3-24 58 306 und US-A-4 655 557 genannt. Bei einem Teil der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen für Monoendoskope, beispielsweise der aus der US-A-4 655 557, ist eine der Reflexionsflächen parallel zur optischen Achse des Optikrohres ausgerichtet. Damit eine solche ebene Reflexionsfläche im Endoskoprohr angeordnet werden kann, muß das Endoskoprohr einen wesentlich größeren Durchmesser als das Optikrohr aufweisen. Dies ist jedoch bei Stereoendoskopen, bei denen der Lichtleitwert für jeden Stereokanal maximal ein Viertel des Lichtleitwerts eines Monoendoskops mit gleichem Optikdurchmesser aufweist, unbefriedigend.

Beim anderen Teil der für Monoendoskope bekannten Lösungen, beispielsweise denen aus der US-A-4 138 192, sind die Reflexionsflächen des Prismas zur Achse des Optikrohres geneigt. Dadurch kann das Optikrohr fast das gesamte Endoskoprohr ausfüllen. Jedoch hat das gesamte geführte Strahlenbündel innerhalb der Reflexionsprismen im Vergleich zum Durchmesser des Optikrohres nur eine sehr geringe Ausdehnung senkrecht zur optischen Achse. Außerdem weisen konventionelle, auf Außendurchmesser von 10 mm standardisierte Monoendoskope einen Lichtleitwert von weniger als 0,2 auf, während für ein gutes Stereobild mindestens ein Lichtleitwert von 0,27 benötigt wird. Daher erschienen bisher auch solche Lösungen für Stereoendoskope ungeeignet.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Stereoendoskop mit abgewinkelter Blickrichtung zu schaffen, bei dem auch bei großen Sehfeldwinkeln, beispielsweise von über 60°, kein Bildfeldbeschnitt auftritt.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Endoskop mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Stereoendoskop weist neben einer Übertragungsoptik, deren optische Achse parallel oder koaxial zur Achse des Endoskoprohres verläuft, eine ein Prisma aufweisende Frontoptik auf, wobei die proximale optische Achse der Frontoptik koaxial zur optischen Achse der Übertragungs­ optik und die distale optische Achse unter einem von 0° oder 180° abweichenden Winkel zur optischen Achse der Übertragungsoptik verläuft.

Dadurch daß die Umlenkung durch ein Prisma innerhalb der Frontoptik erfolgt, ist ein Bildfeldbeschnitt vermeidbar. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Frontoptik eine distale Teilkomponente mit negativer Brechkraft und eine proximale Teilkomponente mit positiver Brechkraft aufweist und das Prisma zwischen diesen beiden Teilkomponenten angeordnet ist. Durch die distale Teilkomponente mit negativer Brechkraft kann das Licht eines großen Objektfeldes oder Sehfeldes an der Licht­ einkoppelfläche des Reflexionsprismas eingekoppelt werden. Durch die in Lichtrichtung gesehen hinter dem Reflexionsprisma angeordnete Teilkomponente mit positiver Brechkraft kann das aus dem Prisma austretende Strahlenbündel derart aufgeweitet werden, daß jedes der beiden stereoskopischen Teilbilder nahezu den gesamten freien Durchmesser der Übertragungsoptik oder des Optikrohres einnimmt.

Um zu jedem Bildpunkt bzw. Objektpunkt beide Stereoteil­ strahlengänge ohne Vignettierung und ohne Beschnitt des Sehfeldes durch das Reflexionsprisma zu führen, ist es insbesondere nützlich, die distale Lichteintrittsfläche des Prismas kleiner als die proximale Lichtaustrittsfläche des Prismas zu gestalten. Die zwei von einander entsprechend der Stereobasis beabstandeten Eintrittspupillen des Beobachtungs­ teiles sollten dabei verkleinert in das Prisma abgebildet sein. Dabei ist die Stereobasis im selben Abbildungsmaßstab verkleinert abzubilden wie die Eintrittspupillen.

Um eine einfache Rundumbeobachtung zu ermöglichen, sollten das Endoskoprohr und das Beobachtungssystem relativ zueinander um die optische Achse der Übertragungsoptik drehbar sein. Es ist dann eine Beobachtung in unterschiedlichen Blickrichtungen bei im Raum feststehender Ausrichtung der Stereobasis des Beobachtungssystems möglich. Damit die Bilddrehung seiten­ richtig zur Drehung des Endoskoprohres erfolgt, sollte das Reflexionsprisma zwei Reflexionsflächen aufweisen.

Um einen gesamten Objektfeldwinkel von 120° bei unveränderter Endoskopstellung zu gewährleisten, sollte der Winkel zwischen der proximalen und der distalen optischen Achse der Frontoptik 30° betragen und der distale Sehfeldwinkel mindestens 60° aufweisen. Für derart große Sehfeldwinkel und Umlenkwinkel sollte das Reflexionsprisma ein Material mit einer Brechzahl von größer als 2.0 aufweisen und sowohl von der distalen Teilkomponente als auch von der proximalen Teilkomponente jeweils durch einen Luftabstand getrennt sein. Desweiteren sollte der Winkel zwischen der proximalen Lichtaustrittsfläche und der zweiten Reflexionsfläche des Reflexionsprismas mehr als 56° betragen.

Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die Frontoptik ein einziges Reflexionsprisma auf, dessen Licht­ eintrittsfläche zur distalen optischen Achse und dessen Lichtaustrittsfläche zur proximalen optischen Achse der Frontoptik senkrecht ausgerichtet ist. Dadurch sind keine zusätzlichen Korrekturprismen zur Vermeidung eines Astigmatismus erforderlich.

Nachfolgend werden Einzelheiten der Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungs­ gemäßen Stereoendoskops;

Fig. 2a den Linsenschnitt der Frontoptik des Stereoendoskops aus Fig. 1;

Fig. 2b den Linsenschnitt der Frontgruppe aus Fig. 2a in einer entlang der optischen Achse gestreckten Dar­ stellung;

Fig. 3a den Linsenschnitt eines alternativen Ausführungs­ beispieles für die Frontoptik;

Fig. 3b den Linsenschnitt der Frontoptik aus Fig. 3a in einer entlang der optischen Achse gestreckten Dar­ stellung; und

Fig. 4 den Schnitt durch das Reflexionsprisma der Front­ optiken aus den Fig. 2 und 3.

Das Stereoendoskop in der Fig. 1 umfaßt im wesentlichen ein Beobachtungsteil (1) und ein daran ansetzbares dünnes Endoskop­ rohr (2). Innerhalb des Endoskoprohres (2) ist die distale Frontoptik (4a-4d) und die Übertragungsoptik (8, 8′, 14) mit Feldoptiken (7, 7′, 13) angeordnet. Die Frontoptik (4a-4d) weist ein einziges Reflexionsprisma (4b) auf, innerhalb dessen der Strahlengang zweimal reflektiert wird, so daß die optische Eintrittsachse (12a) in einem Winkel α von 30° zur optischen Achse (12) der Übertragungsoptik innerhalb des Endoskoprohres umgelenkt ist. Der distale Sehfeldwinkel β beträgt 70°.

Die Frontoptik besteht im wesentlichen aus drei Komponenten, der distalen Teilkomponente (4a) mit negativer Brechkraft, dem Reflexionsprisma (4b) und einer oder zwei Teilkomponenten (4c, 4d) mit positiver Brechkraft. Die Frontoptik (4a-4d) bildet das Objektfeld (6) in das Zwischenbild (6′) ab. Dieses Zwischenbild (6′) wird durch die Übertragungsoptik (8, 8′) innerhalb des Endoskoprohres (2) zweimal in die Zwischenbilder (6′′) und (6′′′) zwischenabgebildet. Das proximale reelle Zwischenbild (6′′′) wird durch ein Objektiv (14) nach unendlich abgebildet. Innerhalb des Beobachtungssystems (1) sind im Abstand der Stereobasis zwei Tubuslinsen (9a, 9b) angeordnet, die jeweils ein Stereoteilbild auf einem der Kamerachips (10a, 10b) erzeugen.

Das Objektiv (14), eine Feldoptik (13) und der proximale Teil einer Übertragungsoptik (8′) innerhalb des Endoskoprohres bilden gleichzeitig ein umgekehrtes Fernrohr, durch das die im Abstand der Stereobasis von einander beabstandeten Eintrittspupillen (11) verkleinert in das Endoskoprohr abgebildet sind. Weitere Feldoptiken (7, 7′) und Übertragungs­ optiken (8, 8′) bilden sowohl das Pupillenbild (11′) als auch das Zwischenbild (6′) weitere male innerhalb des Endoskoprohres im Maßstab 1 : 1 ab.

Die gesamte Optik proximal der Frontoptik (4a-4d) ist wie bei dem Stereoendoskop nach der DE-C1-43 01 466 ausgelegt. Auch hier ist dementsprechend für beide Stereokanäle eine gemeinsame Optik innerhalb des Endoskoprohres (2) vorgesehen. Sowohl die Stereobasis als auch die Eintrittspupillen des Beobachtungs­ systems sind durch das umgekehrte Fernrohr (13, 14) im gleichen Maßstab in das Endoskoprohr abgebildet. Bezüglich der genauen Konstruktionsdaten für die Optik proximal der Frontoptik (4a-4d) sei auf die entsprechenden Daten der DE-C1-43 01 466 verwiesen.

Im Gegensatz zur Anordnung nach der DE-C1-43 01 466 wird hier jedoch das Pupillenzwischenbild (11′′) durch die Feldoptik (7) und die proximalen Teilkomponenten (4c, 4d) der Frontoptik verkleinert in das Reflexionsprisma (4b) (Pupillenbild (11′′′)) abgebildet. Diese verkleinerte Abbildung sowohl der Pupillen als auch der Stereobasis in das Reflexionsprisma (4b) ermöglicht eine vignettierungsfreie Strahlführung in dem Gesamtsystem, ohne daß durch das Reflexionsprisma (4b) das Sehfeld beschnitten wird.

Zur Änderung der Blickrichtung ist das Endoskoprohr (2) an der Schnittstelle (3) um die optische Achse (12) der Übertragungs­ optik (8, 8′, 14) drehbar. Da dabei die Orientierung des Beobachtungsteils (1) im Raum unverändert bleibt, bleibt auch die Orientierung der Stereobasis im Raum erhalten. Da sich jedoch gleichzeitig die Orientierung des Pupillenbildes (11′′′) innerhalb des Reflexionsprismas (4b) verändert, ist das Reflexionsprisma (4b) so ausgelegt, daß auch bei dessen Drehung um die optische Achse (12) keine Vignettierung und kein Beschnitt des Sehfeldes auftritt. Da der Strahlengang innerhalb des Reflexionsprismas zweifach gespiegelt wird, ist sowohl die Abbildung höhen- und seitenrichtig als auch durch die Pupillen­ abbildung ein stereoskopisch richtiger Tiefeneindruck gewähr­ leistet.

Die Strahlführung für die stereoskopischen Teilstrahlengänge innerhalb der Frontoptik (4a-4d) ist in den Linsenschnitten der Fig. 2a und 2b dargestellt. In der Fig. 2a sind aus Übersichtlichkeitsgründen die Stereostrahlenbündel lediglich für einen einzigen Objektpunkt und in der Fig. 2b die Stereostrahlenbündel für zwei Objektpunkte an entgegengesetzten Rändern des Sehfeldes eingezeichnet. Wie insbesondere der Darstellung in Fig. 2b entnehmbar ist, wird das Bild (6′) für jeden Objektpunkt durch zwei Stereoteilbüschel erzeugt, die innerhalb des Reflexionsprismas (4b) für Stereoteilbüschel desselben Objektpunktes von einander beabstandete, jedoch für zum selben Stereokanal gehörige Stereoteilbüschel unterschiedlicher Objektpunkte gemeinsame Pupillen (11a, 11b) durchlaufen. Wie der Fig. 2b weiterhin entnehmbar ist, sind die Zwischenbilder (6′) für beide Stereokanäle einander vollständig überlagert. Dieses resultiert aus der gemeinsamen Übertragungsoptik innerhalb des Endoskoprohres und führt zu einer hohen Lichtstärke.

Die konkreten Konstruktionsdaten der Frontoptik nach den Fig. 2a und 2b sind der Tabelle I entnehmbar. Die Flächen und Dicken bzw. Abstände entlang der optischen Achse der Komponenten sind darin beginnend beim Objektfeld (Objektfeldabstand d₁) fortlaufend numeriert. Die Abstände und Dicken sind dabei entlang der optischen Achse, jeweils zwischen den Schnittpunkten der optischen Achse mit benachbarten Flächen gemessen. Als Radien sind die Flächenkrümmungsradien angegeben. Die eingesetzten Materialien werden von der Fa. Schott Glaswerke, Mainz, unter den angegebenen Bezeichnungen angeboten.

Wie den Fig. 2a und 2b deutlich entnehmbar ist, weist das Reflexionsprisma (4b) zwei zur optischen Achse der proximalen Teilkomponenten (4c, 4d) geneigte Reflexionsflächen und senk­ recht zur jeweiligen optischen Achse (12, 12a) ausgerichtete Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsflächen auf. Außerdem ist die Lichteintrittsfläche kleiner als die Lichtaustrittsfläche und das Prisma (4b) durch einen Luftabstand (d₅, d₉) sowohl von der distalen Teilkomponente (4a) als auch von der benachbarten proximalen Teilkomponente (4c) getrennt. Durch diese Maßnahmen gelingt es, selbst für ein großes Sehfeld von 70° die Stereo­ teilstrahlenbündel ohne Vignettierung durch das Prisma (4b) zu führen.

Das Ausführungsbeispiel für die Frontoptik nach den Fig. 3a und 3b unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 2a und 2b im wesentlichen dadurch, daß die distale Teilkomponente (4a) zwei Elemente mit negativer Brechkraft aufweist. Die Konstruktionsdaten dieses zweiten Ausführungsbeispieles sind in der Tabelle II aufgeführt. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Tabelle I, bei dem der Objektfelddurchmesser 88,6 mm beträgt, ist der Objektfelddurchmesser beim Ausführungsbeispiel nach Tabelle II mit 89 mm bei gleicher Zwischenbildgröße von 6,2 mm geringfügig größer. Bezüglich der in der Tabelle II angegebenen und in Fig. 3a eingezeichneten Radien r_i und Abstände oder Dicken d_i gelten die Ausführungen zur Tabelle I entsprechend. Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3a und 3b sind jedoch die Eintritts- und Austrittsflächen des Prismas (4b) durch die Luftabstände d₇ und d₁₁ - anstelle der Luft­ abstände d₅ und d₉ im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 - von den jeweils benachbarten Komponenten (4a, 4c) getrennt.

In der Schnittdarstellung der Fig. 4 ist das Reflexionsprisma (4b), das in den Ausführungsbeispielen nach Tabelle I und II identisch ist, vergrößert dargestellt. Es weist eine Licht­ eintrittsfläche (18), zwei Reflexionsflächen (17, 19) und eine Lichtaustrittsfläche (16) auf. Der Winkel (a) zwischen der Lichtaustrittsfläche (16) und der zweiten Reflexionsfläche (17) beträgt 56,5°, der Winkel (b) zwischen der Lichteintrittsfläche (18) und der zweiten Reflexionsfläche (17) beträgt 153,5°, der Winkel (c) zwischen der Lichteintrittsfläche (18) und der ersten Reflexionsfläche (19) beträgt 41,5° und der Winkel (d) zwischen der ersten Reflexionsfläche (19) und der Lichtaus­ trittsfläche (16) beträgt 108,5°. Die senkrecht zur distalen optischen Achse (12a) stehende Lichteintrittsfläche (16) weist einen Querschnitt von 2,975 mm und die senkrecht zur proximalen optischen Achse (12) stehende Lichtaustrittsfläche (16) weist einen Querschnitt von 3,5 mm auf. Die Lichteintrittsfläche (18) ist damit kleiner als die Lichtaustrittsfläche (16). Dies ist erforderlich, damit auch bei einem großen Objektfeldwinkel von 70° die Strahlführung innerhalb des Prismas (4b) für beide Stereokanäle vignettierungsfrei und ohne Feldbeschnitt erfolgen kann.

Da die Lichteintrittsfläche (18) und die Lichtaustrittsfläche (16) senkrecht zur jeweiligen optischen Achse (12, 12a) stehen wird das Auftreten eines Astigmatismus auch ohne Korrektur­ prismen vermieden. Das Prisma (4b) besteht aus einem hoch­ brechenden Material mit einem Brechungsindex n = 2.03 und ist von den benachbarten Komponenten (4a) und (4c) jeweils durch einen Luftabstand getrennt, so daß beim Eintritt und beim Aus­ tritt aus dem Prisma jeweils eine starke Brechung erfolgt.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Tabellen I und II ergibt sich bei einem maximalen freien Optikdurchmesser von 7.3 mm ein Lichtleitwert - gemessen für ein Strahlenbündel mit einem Durchmesser, der der Summe aus Stereobasis und Stereopupille und damit einer monoendoskopischen Anwendung entspricht - von 0,31. Dieser Lichtleitwert ist größer als der für eine gute stereoendoskopische Abbildung erforderliche Wert von 0,27, so daß eine gute Abbildungsqualität auch bei einem maximalen Außendurchmesser des Endoskoprohres (2) distal der Feldoptik (13) von 10 mm gewährleistet ist.

Anhand der Fig. 1 wurde die Erfindung am Beispiel eines Video­ endoskopes erläutert. Die Erfindung ist jedoch auch bei Endoskopen mit visuellem Einblick anwendbar, bei denen die Kamerachips (10a, 10b) durch ein Fernrohr bestehend aus einem Stereotubus und zwei Okularen ersetzt sind.

Tabelle I

Tabelle II

Claims (13)

1. Stereoendoskop mit einer Übertragungsoptik (8, 8′, 14), deren optische Achse (12) parallel oder koaxial zur Achse des Endoskoprohres (2) verläuft und mit einer ein Prisma (4b) aufweisenden Frontoptik (4a, 4b, 4c), wobei die proximale optische Achse der Frontoptik koaxial zur opti­ schen Achse der Übertragungsoptik (8, 8′, 14) und die distale optische Achse (12a) unter einem von 0° und 180° abweichenden Winkel zur optischen Achse (12) der Über­ tragungsoptik (8, 8′, 14) ausgerichtet ist.

2. Stereoendoskop nach Anspruch 1, wobei die Frontoptik (4a, 4b, 4c) eine distale Teilkomponente (4a) mit negativer Brechkraft und eine proximale Teilkomponente (4c) mit positiver Brechkraft aufweist und wobei das Prisma (4b) zwischen beiden Teilkomponenten angeordnet ist.

3. Stereoendoskop nach Anspruch 1 oder 2, wobei die distale Lichteintrittsfläche (18) des Prismas (4b) kleiner als die proximale Lichtaustrittsfläche (16) ist.

4. Stereoendoskop nach Anspruch 3, wobei das Prisma (4b) zwei Reflexionsflächen (17, 19) aufweist.

5. Stereoendoskop nach einem der Ansprüche 1-4, wobei ein Beobachtungsteil (1) mit zwei von einander beabstandeten Eintrittspupillen (11) vorgesehen ist und wobei die Eintrittspupillen (11) verkleinert in das Prisma (4b) abgebildet sind.

6. Stereoendoskop nach Anspruch 5, wobei der Abstand der Pupillenbilder (11′′′) im Prisma (4b) im selben Maßstab reduziert ist wie die Pupillenbilder (11′′′).

7. Stereoendoskop nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Endoskop­ rohr (2) und das Beobachtungssystem (1) relativ zueinander um die optische Achse (12) der Übertragungsoptik (8, 8′, 14) verdrehbar sind.

8. Stereoendoskop nach einem der Ansprüche 1-7, wobei der Winkel α zwischen der proximalen (12) und der distalen optischen Achse (12a) der Frontoptik mindestens 30° beträgt und wobei die Frontoptik (4a-4c) einen distalen Bildwinkel β von mindestens 60° aufweist.

9. Stereoendoskop nach einem der Ansprüche 1-8, wobei das Material des Prismas eine Brechzahl größer als 2.00 aufweist und von der distalen Teilkomponente (4a) und von der proximalen Teilkomponente (4c) jeweils durch einen Luftabstand (d₅, d₉; d₇, d₁₁) getrennt ist.

10. Stereoendoskop nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Winkel zwischen der proximalen Lichtaustrittsfläche (16) und der zweiten Reflexionsfläche (17) des Prismas (4b) mehr als 56° beträgt.

11. Stereoendoskop nach einem der Ansprüche 1-10, wobei die Frontoptik (4a-4c) ein einziges Prisma (4b) aufweist und wobei die Lichteintrittsfläche (18) des Prismas (4b) senkrecht zur distalen optischen Achse (12a) und die Lichtaustrittsfläche (16) des Prismas (4b) senkrecht zur proximalen optischen Achse (12) der Frontoptik ausgerichtet ist.

12. Stereoendoskop nach einem der Ansprüche 9-11, wobei die beiden Reflexionsflächen (17, 19) zur Achse des Endoskop­ rohres (2) geneigt sind.

13. Stereoendoskop nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontoptik (4a-4d) die in einer der Tabellen I und II angegebenen Konstruktionsdaten für die Flächenkrümmungsradien r_i, Dicken und Abstände d_i und die aufgeführten Materialien aufweisen.