DE2638999C3

DE2638999C3 - Objektiv für Sichtgeräte mit Faseroptik

Info

Publication number: DE2638999C3
Application number: DE2638999A
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Hachiouji Tokio Imai (Japan)
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1975-08-30
Filing date: 1976-08-30
Publication date: 1979-05-03
Also published as: DE2638999B2; US4101196A; DE2638999A1; JPS5229238A

Description

H₀,,= 1,63, %,, = 0,338

/= l, _tt = 0,33, I =Σ-τ- = 0,0065

i '¹I Ji

besitzt, mit /Jo als Brechungsindex auf der optischen Achse, « als Koeffizienten der Brechungsindexverteilung und R als Abstand von der optischen Achse, gekennzeichnet durch die Anordnung der Blende (S) an der objektseitigen Endfläche des eine Länge entsprechend der Formel

besitzenden optischen Elements und die Ausbildung des Deckglases auf der Gegenstandsseite des Sichtgerätes als die Krümmung der Petzvalschen Bildfeldschale und den Farbquerfehler korrigierende plankonkave Zerstreuungslinse.

2. Objektiv nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die nachstehend aufgeführten numerischen Dater.:

r, = 1,869

</, = 0,37 η_Λ = 1,51633 .j = 64,1

r, = x

d₂ = 0,2

d₃ = 2,7 lichtfokussiercndcs heterogenes Medium r_d = 22,8

dabei sind

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

H₀₁, = 1,63, λ _ά =0,338

/= 1, /7 = 0,3, I =Σ-;γ = 0.0373.

3. Objektiv nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die nachstehend aufgeführten numerischen Daten:

r, = x

Cl₁ = 0,37 /ij= 1,69895 >·_Λ = 30,12 r₂ = 2,63

d₂ = 0,2

J, = 2,7 lichtfokussierendcs heterogenes Medium »,, = 60,6

Die Erfindung bezieht sich auf ein Objektiv für Sichtgeräte mit Faseroptik nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Optische Systeme für Sichtgeräte mit Faseroptik wie flexible Endoskope enthalten ein gegenstandsseitig angeordnetes Objektiv und ein optisches Faserbündel hinter dem Objektiv, wobei derartige optische Systeme dazu dienen, ein Bild eines Gegenstandes zu entwerfen und durch das optische Faserbündel zu fibertragen.

Bei solchen Endoskopen mit optischem Faserbündel tritt jedoch ein Verlust an Lichtstärke auf, wenn das Licht durch das optische Faserbündel übertragen wird. Dieser Lichtstärkeverlust ist am geringsten, wenn das Strahlenbündel in das optische Faserbündel annähernd senkrecht zur Stirnfläche des Faserbündels eintritt Um das Strahlenbündel von dem zu betrachtenden Gegenstand vertikal zur Endfläche des optischen Faserbündels eintreten zu lassen und die Anordnung so zu treffen, daB ein gutes Bild erzielt werden kann, war es bisher notwendig, ein Objektiv mit komplizierter Linsenanordnung zu verwenden.

Aus der DE-OS 19 39 478 ist ein Objektiv für Sichtgeräte mit Faseroptik mit einem zylindrischen abbildenden optischen Element aus einem heterogenen Medium, das nahe der objektseitigen Endfläche des Faserbündels angeordnet ist und eine Brechungsindexverteilung gemäß der Formel

dabeisind

die sich auf das lichtfokussierende heterogene besitzt, mit no als Brechungsindex auf der optischen Achse, λ als Koeffizient der Brechungsindexverteilung und R als Abstand von der optischen Achse, bekannt.

Die Abbildung mit derartigen Objektiven ist jedoch nicht bildfehlerfrei.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gut korrigiertes Objektiv für Fasersichtgeräte anzugeben, welches bei einfachem Aufbau ein senkrechtes Auftreffen der Hauptstrahlen auf die objektseitige Endfläche des Faserbündels zu erzielen gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Ausbildung des Objektivs mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 schematisch den Verlauf der Strahlen durch das lichtfokussierende heterogene Medium,

F i g. 2 eine Schnittansicht eines bekannten Systems mit einem zylindrischen abbildenden Element,

F i g. 3 das erfindungsgemäße Objektiv,

F i g. 4 eine Schnittansicht eines Linsensystems für Endoskope,

Fig.5A—5C Korrekturkurven des Objektivs I gemäß der Erfindung (F i g. 3),

Fig.6A-6C Korrekturkurven des Objektivs II gemäß der Erfindung (F i g. 3),

Fig.7A-7C Korrekturkurven des bekannten in F i g. 1 dargestellten optischen Systems.

In dem lichtfokussierenden heterogenen Medium, dessen Brechungsindexverteilung durch die Formel

ausgedrückt wird, worin no den Brechungsindex auf der optischen Achse, <x einen Koeffizienten der Brechungsindexverteilung und R den Abstand von der optischen Achse bezeichnen, wird der Verlauf der abbildenden Strahlen eine Sinuskurve, wie in F i g. 1 gezeigt ist Wenn ein solches lichtfokussierendes heterogenes Medium eine Länge, die gleich

D=-—

ist was Al/4, d. h. π/2 entspricht, vor einem optischen Faserbündel 1 angeordnet ist, wie F i g. 2 zeigt, und wenn die Blende 5 an der objektseitigen Endfläche 2a des lichtfokussierenden heterogenen Mediums angeordnet ist verläuft der Hauptstrahl C vertikal zur bildseitigen Endfläche 2b des lichtfokussierenden heterogenen Mediums, wie Fig.2 weiter zeigt. Mit anderen Worten: die Austrittspupille liegt im Unendlichen. Ist das zylindrische lichtfokussierende heterogene Medium 2 am distalen Ende des optischen Faserbündels, so wie F i g. 2 zeigt, angeordnet so wird der maximale halbe Bildfeldwinkel oiu durch die folgende Formel ausgedrückt

tan...,, = ,! ^^l^iy^p.oiwobei der äußere Durchmesser mit 2 Λ angegeben ist.

Daher ist der maximale Bildfeldwinkel durch den äußeren Durchmesser begrenzt.

Um einen noch größeren Bildfeldwinkel zu erzielen, ist erfindungsgemäß eine Zerstreuungslinse 3 auf der Gegenstandsseite des lichtfokussierenden heterogenen Mediums angeordnet, wie F i g. 3 zeigt. Wenn die Zerstreuungslinse auf der Gegenstandsseite des lichtfokussierenden heterogenen Mediums in dieser Weise angeordnet ist, wird der Bildfeldwinkel des optischen Systems größer und darüber hinaus ist es möglich, die Zerstreuungslinse auch als Deckglas zu verwenden. In diesem Fall wird vorteilhafterweise eine plankonkave Linse als Zerstreuungslinse verwendet, wie F i g. 3 zeigt. Darüber hinaus wird die Bildfeldkrümmung und chromatische Queraberration mittels der Zerstreuungslinse verringert.

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

Ρ-Σ-¹-

r «if,'

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 F i g. 3 gezeigt, vorgesehen ist, ist es möglich, den Wert P klein zu inachen und infolgedessen ist es möglich, die Bildfeldkrümmung beträchtlich zu reduzieren. Wenn die Brennweite der Zerstreuungslinse 3 mit /₀ bezeichnet wird, die Brennweite des Objektivs mit /, und die Vergrößerung des lichtfokussierenden heterogenen Mediums mit ß, ergibt sich die Beziehung f,= f_o\ß\. Bei unverändertem /,

ίο wird /o klein, wenn \ß\ groß wird. In diesem Fall wird die Bildfeldkrümmung überkorrigiert Darüber hinaus wird die Entfernung von der Endfläche 2b des Faserbündels zur Bildfläche groß und dies ist für optische Systeme von Endoskopen unerwünscht Wenn andererseits |j3| zu klein ist wird /o groß, und es wird unmöglich, den Bildfeldwinkel groß zu machen. Wenn man dies in Betracht zieht ist es zweckmäßig, den Wert β entsprechend 0,04 < \ß\ < 0,7 zu wählen.

Mit der chromatischen Queraberation verhält es sich folgendermaßen. Bei üblichen Linsensystemen wird die Abbe-Zahl v<* verwendet und v<y kann durch folgende Formel ausgedrückt werden

1 II,· - n_F

"j -

Im Falle einer dünnen Linse wird die Achromasiebedingung (Farbquerfehler) für paraxiale Strahlen wie folgt ausgedrückt

ι . (i//)f-(i/A-

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

worin

2 ^J

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

IU ■ " Π//),/

Im allgemeinen ist der Parameter μ<* positiv und das lichtfokussierende heterogene Medium hat eine chromatische Queraberration ähnlich der gewöhnlichen Linsen. Daher ist es möglich, das lichtfokussierende heterogene Medium hier wie eine gewöhnliche achromatische Linse 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 dieser Parameter bei Objektiven nach der vorliegenden Erfindung zugrunde gelegt wird, ist es

möglich, die chromatische Aberration als klein zu betrachten, wenn Δ klein ist. Um bei dem erfindungsgemäßen Objektiv chromatische Quer-Aberration gut zu korrigieren, ist es wünschenswert, wenn \Δ\ <0,04 ist.

Die numerischen Werte der bevorzugten Ausführungsformen des Objektivs sind wie folgt:

Objektiv I

r = oc

Die Korrekturkurven des Objektivs I sind in F i g. 5Λ 5B und 5C und die Korrekturkurven des Objektivs I sind in F i g. 6A, 6B und 6C dargestellt.

Wenn ein Objektiv verwendet wird, das etwa die gleiche Abbildungsleistung wie die Objektive nach dei vorliegenden Erfindung hat und das aus gewöhnlicher Linsen aufgebaut ist, so ergibt sich beispielsweise die ir F i g. 4 angeordnete Linsenanordnung und die numeri sehen Werte eines solchen Linsensystems sind wie folgt:

r, = 1,869

d_x = 0,37 n_d = 1,51633 .·,, = 64,1

r, = χ

(I₂ = 0,2

d_} — 2,7 lichtfokussierendcs heterogenes Medium /<j = 22,8

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

iiod = 1,63, >,, = 0,338

/= 1, it = 0,3, I = ν J = 0,0373 Objektiv II

d_x = 0,37 n_ä = 1,69895 ν_Λ = 30,12 r, = 2,53

d₂ = 0,2

Γϊ = '-C

rf, = 2,7 lichlfokussierendes heterogenes Medium /i_d = 60,6 r₄ = y-

»!„„= 1.63. x,, = 0,338

/= 1, /i = 0,3. I =Σ-4" = °'⁰⁰⁶⁵

r/, = 0,37 », = !,51633 .·, = 64,15
r₂ =- 1,13

A = 0.36
r, = - 2,294

Ci₃ = 0,6 H₂ = 1,757 r₂ = 47,87
c₄ = -0,816

</₄ = 0,2
C₅ = r.

2(i </₅ = 0,35 η, = 1,84666 ι·₃ = 23,88

r„ = 1,13"

4, = 0,61 H₄ = 1,788 .·₄ = 47,49
,·₇ = -1,564

/= 1

Die Korrekturkurven dieses Objektivs sind ir F i g. 7A, 7 B und 7C dargestellt. Wie sich aus F i g. 4 unc den numerischen Werten der Datentabelle ergibt, isi dieses Objektiv aufwendig, wenn versucht wird, mil

tu normalen Linsen eine Abbildungsleistung zu erhalten die der Abbildungsleistung des Objektivs nach dei vorliegenden Erfindung etwa gleich ist. Da die Objektive für Endoskope in einem kleinen begrenzter Raum angeordnet sein sollen, ist es notwendig, ein sehi

r, kompaktes Objektiv komplizierter Ausbildung herzu stellen und es ist sehr schwierig, hierfür Linser herzustellen und sie genau zu justieren. Andererseits isl es bei dem Objektivsystem nach der vorliegender Erfindung möglich, dieses in einfacher Weise herzustel

4« len und zu justieren.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Objektiv für Sichtgeräte mit Faseroptik, wie Endoskope, mit einem zylindrischen abbildenden optischen Element aus einem heterogenen Medium, das nahe der objektseitigen Endfläche des Faserbündels angeordnet ist und eine Brechungsindexverteilung gemäß der Formel

Medium beziehenden numerischen Werte folgende: