DE19858785C2 - Endoskopobjektiv sowie Endoskop mit einem derartigen Objektiv - Google Patents
Endoskopobjektiv sowie Endoskop mit einem derartigen ObjektivInfo
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Description
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 Endo
skops überträgt, an dem es beispielsweise mit einem Okular betrachtet oder mit
einer Videokamera aufgenommen wird. Der Bildweiterleiter besteht hierbei zu
meist 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 nachge
schaltet sind, unter "Aperturblende" auch das Bild der Aperturblende verstan
den. Die in Strahlrichtung erste Linse oder Linsengruppe, die vor der Aper
turblende angeordnet ist, hat negative Brechkraft, um einen möglichst großen
Bildfeldwinkel zu gewinnen, und besteht in der Regel aus einer einzigen negati
ven 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 vorde
ren Fokuspunkt der zweiten Linsengruppe plaziert, damit die Hauptstrahlen auf
der Bildseite parallel zur optischen Achse verlaufen; dies ist günstig für die An
kopplung 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 endos
copes" 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 Verzeich
nung, die beispielsweise bei einem Gesichtsfeldwinkel 2w = 70°. . . 80° Werte
von -20% . . . -25% erreicht. Bislang besteht - hierzu wird auf den zweiten Ab
schnitt des genannten Artikels verwiesen - die Auffassung, daß diese Verzeich
nung von Endoskopobjektiven zumindest dann nicht reduziert werden kann,
wenn das Objektiv ausschließlich Linsen in Standard-Technik, d. h. mit sphäri
schen 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 Pro
zent 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 Endoskopobjekti
ve durch den Einsatz von Linsen zu korrigieren, deren Brechungsindex in axia
ler Richtung variiert. Sowohl die Verwendung von Linsen mit asphärischen Flä
chen als auch die Verwendung von Linsen mit variierendem Brechungsindex
führen zu zusätzlichem Fertigungsaufwand gegenüber herkömmlichen Objekti
ven mit sphärischen Flächen und Materialien mit konstantem Brechungsindex,
sowie aufgrund von Fertigungstoleranzen zu zusätzlichen Bildfehlern am Bild
rand.
Aus dem bereits genannten Artikel von Eberhard Dietzsch ist es ferner bekannt,
unsymmetrische Relaislinsensysteme zu verwenden, deren Verzeichnung entge
gengesetzt der Verzeichnung des Objektivs ist und diese damit teilweise korri
giert. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß die Korrektur von der Zahl der
verwendeten Relaislinsensysteme und damit von der Länge des jeweiligen En
doskops abhängt. Außerdem sind unsymmetrische Relaislinsensysteme in der
Herstellung aufwendiger als symmetrische. Die Unsymmetrie führt darüber hin
aus 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 Strahlrich
tung ersten Linsengruppe wenigstens eine positive Linse und wenigstens eine
negative Meniskuslinse vorgesehen sind, um die Verzeichnung zu kompensie
ren. 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 Menis
kuslinsen 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 anzuge
ben, das auch bei großen Gesichtsfeldwinkeln von bis zu 80° nur eine Verzeich
nung aufweist, die vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen wird, wobei
die Elemente des Objektivs und das Endoskopobjektiv selbst einfach herzustel
len und zu montieren sein sollen.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angege
ben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2ff.
Damit ist es entgegen dem in der Fachwelt herrschenden Vorurteil doch mög
lich, Endoskopobjektive des genannten Typs in Standard-Technik so auszule
gen, 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 Verzeich
nung. Ebenso bestimmt die Brechkraft einer Linse in bekannter Weise Vorzei
chen 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, wo
bei 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 plankon
kave 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 Kon
zeption möglich ist, nicht nur die Verzeichnung auf nicht störende Werte zu re
duzieren, 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 ge
wählt werden, daß sie die Bildfeldkrümmungen der Relaislinsensysteme kom
pensiert. 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 Verzeich
nung, 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 plan
konvexe 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 opti
schen Systems, die aufgrund der zusätzlich eingeführten Linse notwendig ist,
kann in bekannter Weise mit den gängigen Methoden und Werkzeugen des Op
tik-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 Bildauf
nehmer ist ein erfindungsgemäßes Objektiv vorteilhaft einzusetzen. Unter
"Endoskop" werden hier auch andere Arten von Sehrohren, etwa Periskope, ver
standen.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfin
dungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offen
barung 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 Gesichts
feldrand eingezeichnet, und in Fig. 2 sind die optische Achse und ein Haupt
strahl 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 entspre
chenden 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 (Ausfüh
rungsbeispiel gemäß Fig. 1b), den Flächen 6 bis 8 (Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 1c) bzw. den Flächen 5 bis 7 (Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2) gebil
det wird, in der Praxis auch ein Umlenkprisma zur Änderung der Blickrichtung
sein kann. Anstelle dieser zweiten planparallelen Platte könnte auch ein entspre
chender 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 Flä
chen 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 hin
ten, in einem der Relaislinsensysteme, so angeordnet, daß ihr Bild in den vorde
ren Fokuspunkt der zweiten Linsengruppe fällt.
Die vorhandene negative Einzellinse (Flächen 16 und 17) in der zweiten Lin
sengruppe 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 Linsengrup
pe (Flächen 3 und 4), deren Brechkraft und Abstand von der virtuellen Aper
turblende so bemessen sind, daß die Verzeichnung des gesamten Systems prak
tisch vollständig korrigiert wird.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1b ist ähnlich dem nach Fig. 1a aufge
baut, 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 (Flä
chen 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 eben
so 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 be
steht, 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 ne
gativen (Flächen 17 und 18) Einzellinse, wobei die ersten beiden Achromate und
die positive Einzellinse (Flächen 9 bis 16) durch einen einzigen Achromat er
setzt werden könnten. Die zweite Linsengruppe ist an die gegenüber dem Aus
führungsbeispiel 1a veränderten Eigenschaften der ersten Linsengruppe ange
paßt.
Alle numerisch angegebenen Ausführungsbeispiele weisen eine tonnenförmige
Verzeichnung (negative Verzeichnung) von ca. 4% bei einem Gesichtsfeldwin
kel 2w von ca. 80° auf. Eine Verzeichnung mit einem Betrag von 4% oder we
niger wird normalerweise vom menschlichen Auge nicht mehr wahrgenommen.
Damit ist keine weitergehende Kompensation der Verzeichnung mehr erforder
lich.
Claims (7)
1. Endoskopobjektiv mit
einer in Strahlrichtung ersten Linsengruppe, deren Gesamtbrechkraft ne gativ 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 be stehen,
wobei in der ersten Linsengruppe eine Linse mit positiver Brechkraft vor gesehen ist und
wobei die positive Linse in der ersten Linsengruppe in Strahlrichtung zu erst 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 ei nem Betrachter nicht als störend empfunden wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Linsengruppe aus nur zwei Linsen besteht, von denen die ei ne positive und die andere Linse negative Brechkraft hat und
daß die negative Linse in der ersten Linsengruppe eine bikonkave oder ei ne plankonkave Linse ist.
einer in Strahlrichtung ersten Linsengruppe, deren Gesamtbrechkraft ne gativ 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 be stehen,
wobei in der ersten Linsengruppe eine Linse mit positiver Brechkraft vor gesehen ist und
wobei die positive Linse in der ersten Linsengruppe in Strahlrichtung zu erst 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 ei nem Betrachter nicht als störend empfunden wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Linsengruppe aus nur zwei Linsen besteht, von denen die ei ne positive und die andere Linse negative Brechkraft hat und
daß die negative Linse in der ersten Linsengruppe eine bikonkave oder ei ne plankonkave Linse ist.
2. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Linse in
der ersten Linsengruppe eine bikonvexe Linse ist.
3. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Linse in
der ersten Linsengruppe eine plankonvexe Linse ist.
4. Objektiv nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Krüm
mung der bildseitigen Fläche der positiven Linse in der ersten Linsengruppe
größer als die der objektseitigen Fläche ist.
5. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
positive und die negative Linse in der ersten Linsengruppe miteinander ver
kittet sind.
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. Endoskop mit einem Objektiv und einem Bildweiterleiter, der das Bild des
Objektivs vom distalen Ende zum proximalen Ende überträgt, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Objektiv gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausge
bildet ist.
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