DE2638999A1

DE2638999A1 - Objektivsystem fuer endoskope

Info

Publication number: DE2638999A1
Application number: DE19762638999
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Imai
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1975-08-30
Filing date: 1976-08-30
Publication date: 1977-03-10
Also published as: US4101196A; DE2638999C3; DE2638999B2; JPS5229238A

Description

Olympus Optical Co, oot 7551

3o. Aug. 1976 Tokyo /JAPAN

L/Br

Öbjektivsystem für Endoskope

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Objektivsystem für Endoskope.

Optische Systene für Endoskope, insbesondere flexible^
Endoskope, enthalten ein am distalen Ende angeordnetes Objektiv und ein optisches Faserbündel hinter dem Objektiv, wobei derartige optische Systeme dazu dienen, ein Bild eines Gegenstandes unter dessen Übertragung durch das
optische Faserbündel zu beobachten.

Bei solchen Endoskopen mit optischem Faserbündel tritt jedoch ein Verlust an Lichtintensität auf, wenn das Licht durch das optische Faserbündel übertragen wird. Dieser Intensitätsverlust an Licht ist am geringsten, wenn das Licht in das optische Faserbündel vertikal zur Stirnfläche des Faserbündels eintritt. Um das Licht von dem zu betrachtenden Gegenstand vertikal zur Stirnfläche des optischen Faserbündels eintreten zu lassen und die Anordnung so zu treffen, daß ein gutes Bild erzielt werden kann, ist

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es notwendig, ein Objektiv mit komplizierter Linsenanordnung zu verwenden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Objektiv für Endoskope anzugeben, das bei einfachem Aufbau ein senkrechtes Auftreffen der Lichtstrahlen auf die Stirnfläche des Faserbündels zu erzielen gestattet.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird dabei eine Zerstreuungslinse vor dem lichtfokussierenden heterogenen Medium angeordnet, wodurch ein großer Bildfeldwinkel und eine günstige Korrektur der Bildfeldkrümmung und der chromatischen Aberration erreicht werden.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch den Durchgang des Lichtes durch das lichtfokussierende heterogene Medium,

Fig.2 und Schnittansichten von Ausführungsbeispielen nach 3 der Erfindung,

Fig. 4 eine Schnittansicht eines bekannten optischen Systems für Endoskope,

709810/0879 _₃_

Fig. 5A,5B

Korrekturkurven des Ausführungsbeispiels I , und 5C

Fig. 6A,6B

Korrekturkurven des Ausführungsbeispiels n und und 6C

Fig.7A,7B

Korrekturkurven des bekannten in Fig. 4 darge- und 7 C

stellten optischen Systems.

In dem lichtfokussierenden heterogenen Medium, dessen Brechungsindexverteilung durch die Formel

1 2

η = n_ ( 1 - ■=■ oC R ) ausgedrückt wird, worin n_Q den Brechungsindex auf der optischen Achse, cpC einen Koeffizienten der Brechungsindexverteilung und R den Abstand von der optischen Achse bezeichnen, wird der Verlauf des Lichtes eine Sinuskurve, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Wenn ein solches lichtfokussierendes heterogenes Medium eine Länge, die gleich D= —-^-— ist, was Ά 1/4, d.h. 1^/2 entspricht,

2-iÖL
vor einem optischen Faserbündel 1 angeordnet ist, wie Fig. 2 zeigt, und wenn die Blende S an der Stirnfläche 2a auf der Eintrittsseite des lichtfokussierenden heterogenen Mediums angeordnet ist, verläuft der Hauptstrahl C vertikal zur Stirnfläche 2b auf der Austrittsseite des lichtfokussierenden heterogenen Mediums , wie Fig. 2 weiter zeigt. Das optische System nach der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein zylindrisches lichtfokussierendes heterogenes Medium 2 am distalen Ende des optischen Faserbündels , so wie Fig. 2 zeigt, angeordnet ist. +) Mit anderen Worten: die Austrittspupille liegt im Unendlicher

7 0 9 8 10/0879 "⁴"

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Für diese Art von lichtfokussierenden heterogenen Medien wird der maximale halbe Bildfeldwinkel CJ „ durch die

folgende Formel ausgedrückt

tan (J_M =

i> - '"ο²

wobei der äußere Durchmesser mit 2h angegeben ist.

Daher ist der maximale Bildfeldwinkel durch den äußeren Durchmesser begrenzt.

Um einen noch größeren Bildfeldwinkel zu erzielen, wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine Zerstreuuungslinse 3 an der Gegenstandsseite des lichtfokussierenden heterogenen Mediums angeordnet, wie Fig. zeigt. Wenn die Zerstreuungslinse an der Gegenstandsseite des lichtfokussierenden heterogenen Mediums in dieser Weise angeordnet ist, wird der Bildfeldwinkel des optischen Systems größer und darüberhinaus ist es möglich, die Zerstreuungslinse auch als Deckglas zu verwenden. In diesem Fall ist es vorteilhaft., eine plankonkave Linse als Zerstreuungslinse zu verwenden, wie in Fig. 3 gezeigt . Darüberhinaus ist es auch möglich, die Bildfeldkrümmung und chromatische Aberration mittels der ..Zerstreuungslinse zu verringern.

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Was die Bildfeldkrümmung anbetrifft, so wird die Petzval-Summe, die die Bildfeldkrümmung widergibt, durch die folgende bekannte Formel ausgedrückt:

„ r 1

Wenn das optische System nur aus dem lichtfokussierenden heterogenen Medium besteht, ist die Brechkraft immer von positivem Wert und daher ist es nicht möglich, den Wert P klein zu machen. Wenn jedoch die Zerstreuungslinse, wie in Fig. 3 gezeigt, vorgesehen ist, ist es möglich, den Wert P klein zu machen und infolgedessen ist es möglich, die Bildfeldkrümmung beträchtlich zu reduzieren. Wenn die Brennweite der zusätzlichen Zerstreuungslinse 3 mit f_Q bezeichnet wird, die Brennweite des optischen Systems als Ganzes mit f und die Vergrößerung des lichtfokussierenden heterogenen Mediums mit ß, ergibt sich folgende Beziehung f_t ⁼f_Q I ^ßl-Bei unverändertem f. wird f_Q klein, wenn jßj groß wird. In'diesem Fall wird die Bildfeldkrümmung überkorrigiert. Darüberhinaus wird die Entfernung von der Stirnfläche 2b zur Bildfläche groß und dies ist für optische Systeme von Endoskopen unerwünscht. Wenn andererseits | ß| zu klein ist, wird f_ groß und es wird unmöglich, den Bildfeldwinkel groß zu machen. Wenn man dies in Betracht zieht, ist es zweckmäßig, den Wert ß entsprechend o,o4 L |ßS C o,7 zu wählen.

Mit der chromatischen Aberration verhält es sich folgendermaßen . Bei üblichen Linsensystemen wird die Abbe-Zahl

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^, verwendet und γ/, kann durch folgende Formel ausgedrückt werden

Im Falle einer dünnen Linse wird die Achromasxebedingung

für paraxiale Strahlen wie folgt ausgedrückt

d/f)_d

Andererseits wird im Falle des üchtfokussierenden heterogenen Mediums ,u, durch die folgende Formel ausgedrückt als der Parameter,der der Abbe-Zahl entspricht

ι ¹V -^Kc
/"a κ.

α
worin K^ °^aⁿo^{d ist}"

In dem Fall, daß das lichtfokussierende heterogene Medium einer dünnen Linse entspricht, kann die Achromasiebedingung für paraxiale Strahlen wie folgt ausgedrückt werden:

Im allgemeinen ist der Parameter ,u, positiv und das lichtfokussierende heterogene Medium hat eine chromatische

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Aberration ähnlich der gewöhnlicher Linsen. Daher ist es möglich, das lichtfokussierende heterogene Medium entsprechend dem gleichen Grundgedanken wie gwöhnliche achromatische Linsen zu behandeln und infolgedessen wird die chromatische Aberration verringert, wenn die Zerstreuungslinse, wie in Fig. 3 gezeigt, hinzugefügt wird. Im Falle gewöhnlicher Linsen wird die chromatische Aberration durch den folgenden Parameter ausgedrückt

Wenn diese Parameter bei optischen Systemen nach der vorliegenden Erfindung aus Zweckmäßigkeitsgründen angewendet wird, ist es möglich, die chromatische Aberration als klein zu betrachten, wenn Δ klein ist. Um ein optisches System zu erhalten, bei dem die chromatische Aberration gut korrigiert ist, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, bei dem eine Zerstreuungslinse hinzugefügt ist, ist es wünschenswert, wenn Δ gleich |4j<o,o4 ist.

Die numerischen Werte der schematisch in Fig. 3 dargestellten bevorzugten Ausfuhrungsbeispiele sind wie folgt:

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Beispiel	OO	I
^r1 ⁼	= o,
^d1	,869	37
^r2⁼¹	=o,2
^d2

η = 1,51633 \/,=64,1

α α

=2 , 7 lichtfokussierendes heterogenes ,u ,=22,8 Medium ' ^α

Die sich auf das lichtfokussierende heterogene Medium beziehenden numerischen Werte sind folgende:

η = n_o(1- Iod R²) n_od=1,63 , o6_d=_O/338

f=1 , ß=o,3 , Δ = £ ^ = _O/o373

Beispiel II

d.j=o,37 n_d=1,69895 v_d=3_O,12

r₂=2,53
d₂=o_r2

d,=2,7 lichtfokussierendes heterogenes

,U,= 60,6 Medium ' ^Q

r.= 00

n_Qd=1,63 , Oi._d=o,338

f=1, ß=o,3 , Δ =/- —^— = o,oo65

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Die Korrekturkurven des Ausführungsbeispiels I sind in Fig. 5A,5B und 5C und die Korrekturkurven des Aus führungsbei spiels II sind in Fig. 6A, 6B und 6C dargestellt.

Wenn ein optisches System verwendet wird, das eine äquivalente Güte zu dem optischen System nach der vorliegenden Erfindung hat und das aus gewöhnlichen Linsen aufgebaut ist, so ergibt sich beispielsweise die in Fig. 4 angeordnete Linsenanordnung und die numerischen Werte eines solchen Linsensystems sind wie folgt:

d.j= o,37 n.,>1,51633 ^=64,15

r₂=1,13

d₂=o,36
r₃=-2,294

d₃^o,6 n₂=1,757 1^=47,87

r₄=-o,816

d₄=o,2

= oo

=1,84666 1^=23,88

d₆=o,61 n₄=1,788

r₇=-1,564 f=1

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Die Korrekturkurven dieses Beispiels eines Linsensystems sind in Fig. 7A, 7B und 7C dargestellt. Wie sich aus Fig. und dem obigen Beispiel der numerischen Werte ergibt, ist die Linsenanordnung des Linsensystems aufwendig, wenn versucht wird, mit normalen Linsen eine Güte zu erhalten, die der Güte des optischen Systems nach der vorliegenden Erfindung äquivalent ist. Da die Objektive für Endoskope in einem kleinen begrenzten Raum angeordnet sein sollen,ist es notwendig, ein sehr kleines Linsensystem komplizierter Ausbildung herzustellen und es ist sehr schwierig, hierfür Linsen herzustellen und sie genau zu justieren. Andererseits ist es bei dem Objektivsystem nach der vorliegenden Erfindung möglich, dieses in einfacher Weise herzustellen und anzuordnen,

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Claims

P a t e η t a η s ρ r ü c h e

Optisches Objektivsystem für Endoskope mit einem optischen

zur Bildübertragung
Faserbündel», dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrisches lichtfokussierendes heterogenes Medium (2) nahe der Stirnfläche des optischen Faserbündels an der Gegenstandsseite angeordnet ist, das eine Brechungsindexverteilung η besitzt, die folgender Formel entspricht:

η = n₀ (1 - loCR² ), .

darin bezeichnet:

n_ den Brechungsindex auf der optischen Achse , cC den Koeffizienten der Brechungsindexverteilung und R den Abstand von der optischen Achse .
2. Obpektivsystem für Endoskope nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine an der Gegenstandsseite des lichtfokussierenden heterogenen Mediums angeordnete Zerstreuungslinse (3).
3. Objektivsystem für Endoskope nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die nachstehend aufgeführten numerischen Daten:

"^=0,37 n_d=1,51633 V_d=64,1

r₂=1,869

d₂=o,2
r_= oo

d_=2,7 lichtfokussierendes heterogenes Medium λι,=22,8

709810/0879 -12-

= oo

die sich auf das lichtfokussierende heterogene Medium beziehenden numerischen Werte sind folgende:
n= n₀ (1 - 1 o6R²)

ⁿOd^{= 1}'⁶³' θί & = o,338

f=1 , ß=o,3 , Δ = 4- - = o,o373 .

¹ V.f.
ι ι
4. Objektivsystem für Endoskope nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die nachstehend aufgeführten numerischen Daten:

d.j=o,37 n_d=1,69895 ^=30,12

r₂=2,53
d₂=o,2

d₃=2_f7 lichtfokussierendes heterogenes Medium ,u,=6o,6

die sich auf das lichtfokussierende heterogene Medium beziehenden numerischen Werte sind folgende:

η » n_Q (l —j ec R }

n_od = 1,63, *d = o,338

f=1 , ß= o,33 , Δ =f —^— = o,oo65

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