РЕЛЕЙНАЯ ОПТИКА ДЛЯ ЖЕСТКОГО ЭНДОСКОПА И ЭНДОСКОП
RELAY OPTICS FOR RIGID ENDOSCOPE AND ENDOSCOPE

Изобретение относится к релейной оптике для жесткого эндоскопа, которая содержит две идентично выполненные линзовые системы, которые расположены симметрично друг другу относительно лежащей перпендикулярно оптической оси плоскости симметрии. Кроме того, изобретение относится к эндоскопу, который содержит релейную систему по меньшей мере с одной такой релейной оптикой.
Эндоскопы применяются, в частности, в минимально инвазивной хирургии, с целью обеспечения хирургу обзора области тела, в которой лежит операционное поле. Применяются как монокулярные эндоскопы, так и стереоскопические эндоскопы, при этом последние обеспечивают с помощью двух оптических каналов ощущение пространственной глубины, что невозможно с помощью монокулярных эндоскопов.
На дистальном конце хвостовика эндоскопа обычно расположен объектив, который собирает исходящий от подлежащего наблюдению объекта свет и создает реальное промежуточное изображение объекта. Это промежуточное изображение передается с помощью расположенной после объектива оптической релейной системы к проксимальному концу хвостовика эндоскопа. На проксимальном конце хвостовика эндоскопа расположен окуляр, который отображает реальное промежуточное изображение либо для глаза человека, либо с помощью объектива камеры на сенсорной поверхности.
При этом оптическая релейная система для применения в эндоскопе должна иметь высокое оптическое качество при небольшом диаметре. В то время как в гибких эндоскопах для этой цели часто применяются световоды, например пучки стеклянного волокна, для применения в жестких эндоскопах обычно используются релейные системы с стержневыми линзами. В частности, изготовленные из специальных оптических стекол стержневые линзы имеют более высокое оптическое качество, чем гибкие световоды.
В US 5 557 454 А раскрыт жесткий эндоскоп, в котором с помощью стержневых линз реализована передача оптического изображения от дистально установленного в хвостовике эндоскопа объектива в проксимально расположенный окуляр.
Из US 6 490 085 В1 известна оптическая релейная система для жесткого эндоскопа, которая содержит две линзовые системы, которые расположены симметрично относительно лежащей перпендикулярно оптической оси плоскости симметрии.
В DE 10 2013 209 956 А1 раскрыт жесткий стереоскопический эндоскоп, в котором передача изображения от проксимально установленного объектива к дистально установленной сенсорной поверхности снова осуществляется с помощью стержневых линз.
В WO 2015/131278 А1 приведено описание предусмотренной для передачи изображения в широком диапазоном частот системы, которая состоит из расположенных зеркально симметрично стержневых линз и сферических линз.
Известные из уровня техники оптические релейные системы либо совсем, либо в любом случае недостаточно исправляют искажения изображения. В частности, известные оптические релейные системы имеют большую кривизну поля изображения, которая лишь с трудом поддается коррекции с помощью последующей оптической системы. Дополнительно к этому, известные оптические релейные системы выполнены лишь для эндоскопов определенной длины.
Задачей изобретения является создание релейной оптики для жесткого эндоскопа, которая выполнена просто и компактно и одновременно максимально исправляет искажения изображения, в частности, кривизну поля изображения.
Эта задача решена с помощью релейной оптики с признаками пункта 1 формулы изобретения и эндоскопа с признаками пункта 7 формулы изобретения. Предпочтительные модификации указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Релейная оптика, согласно изобретению, содержит две идентично выполненные линзовые системы, которые расположены симметрично друг другу относительно лежащей перпендикулярно оптической оси плоскости симметрии. Линзовые системы содержат каждая первую двояковыпуклую линзу, двояковогнутую линзу, стержневую линзу, которая имеет обращенную к плоскости симметрии выпуклую поверхность линзы и противоположную плоскости симметрии вогнутую поверхность линзы, и вторую двояковыпуклую линзу в этой последовательности при рассматривании от плоскости симметрии. За счет этого достигается простая и компактная конструкция релейной оптики.
За счет симметричного (зеркально симметричного) расположения идентично выполненных линзовых систем возможна максимальная коррекция хроматической аберрации, которая возникает в одной линзовой системе, с помощью другой линзовой системы. Коррекция хроматической аберрации обеспечивает, в частности, возможность расположения нескольких релейных оптик друг за другом внутри релейной системы, без слишком большого увеличения общей хроматической аберрации.
Кроме того, релейная оптика, согласно изобретению, имеет преимущество сравнительно небольших затрат на изготовление и монтаж за счет применения лишь небольшого количества различных конструктивных элементов.
Специальное выполнение релейной оптики обеспечивает также возможность самостоятельной коррекции кривизны поля изображения, которое вызывается, например, расположенным перед релейной оптикой окуляром, с помощью самой релейной оптики. В частности, в релейной системе, которая содержит любое число расположенных друг за другом релейных оптик, может быть почти полностью исправлена кривизна поля изображения. Кроме того, за счет коррекции кривизны поля изображения релейной оптики, согласно изобретению, расположенный на стороне изображения окуляр может иметь более компактную конструкцию, чем в известных до настоящего времени эндоскопах, поскольку в данном случае кривизна поля изображения исправляется в самой релейной оптике, а не как обычно, в окуляре.
В одной предпочтительной модификации первая двояковыпуклая линза, двояковогнутая линза, стержневая линза и/или вторая двояковыпуклая линза соответствующей линзовой системы соединены замазкой друг с другом. Особенно предпочтительно, все указанные выше линзы соединены друг с другом замазкой с образованием одного единственного конструктивного элемента. Этот конструктивный элемент называется в последующем соединенной замазкой стержневой оптикой. За счет применения соединенной замазкой стержневой оптики могут быть значительно уменьшены затраты на изготовление и монтаж.
В другой предпочтительной модификации стержневая линза соответствующей линзовой системы состоит из кронгласа. Применение, в частности, бариевого кронгласа для релейной оптики предпочтительно на основании его хороших оптических передаточных свойств.
Предпочтительно, первая двояковыпуклая линза, двояковогнутая линза и/или вторая двояковыпуклая линза каждой линзовой системы состоят из флинта. Высокое рассеяние флинтовых стекол позволяет иметь конструкцию соединенной замазкой стержневой оптики с желаемыми ахроматическими свойствами, в частности за счет комбинации легких и тяжелых флинтовых стекол, различные показатели преломления.
Предпочтительно, первая двояковыпуклая линза и/или вторая двояковыпуклая линза каждой линзовой системы имеет противоотражательный слой, в частности, на ее поверхности без замазки. Это служит, в частности, для повышения оптического пропускания, а также минимизации света рассеяния и тем самым оптического качества релейной оптики. Повышение оптического пропускания позволяет включать несколько релейных оптик друг за другом, без значительной потери света.
В другом предпочтительном варианте выполнения в плоскости симметрии расположена бленда для ограничения апертуры релейной оптики.
Согласно другому аспекту изобретения, предлагается эндоскоп, который содержит релейную систему по меньшей мере с одной релейной оптикой указанного выше вида.
В одном предпочтительном варианте выполнения эндоскоп содержит жесткий хвостовик эндоскопа, в котором расположена релейная система.
В особенно предпочтительном варианте выполнения релейная система содержит по меньшей мере один релейный модуль, который содержит несколько расположенных друг за другом вдоль оптической оси релейных оптик указанного выше вида.
В другом предпочтительном варианте выполнения релейная система содержит два релейных модуля, которые образуют стереоскопическую систему. Таким образом, с ее помощью возможны стереоскопические наблюдения.
Оптическая конструкция, согласно изобретению, содержит, в частности, комбинацию их линзовых элементов и стержневой линзы внутри соединенной замазкой группы (стержневой линзовой системы) и комбинацию двух стержневых линзовых систем с образованием релейной оптики. Радиусы и материалы отдельных линз предпочтительно согласованы друг с другом так, что особенно хорошо исправляются так называемые бочкообразные искажения изображения. При этом, в частности, минимизируется сумма Петцваля в качестве показателя кривизны поля изображения. Дополнительно к этому, за счет применения двух идентичных стержневых линзовых систем в обратной последовательности может быть исправлена хроматическая аберрация первой стержневой линзовой системы с помощью второй стержневой линзовой системы. Кроме того, может выполняться хорошая коррекция не только промежуточных изображений, которые оптически ограничивают релейную оптику, но также может выполняться коррекция отображения зрачка, которое передается из одной релейной оптики в следующую релейную оптику.
Другие признаки и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания изобретения на основании примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - релейная оптика для жесткого эндоскопа, согласно одному примеру выполнения;
фиг. 2 - пример выполнения линзовой системы, которая является частью релейной оптики из фиг. 1;
фиг. 3 - пример выполнения монокулярного эндоскопа, который содержит несколько релейных оптик, согласно фиг. 1; и
фиг. 4 - пример выполнения стереоскопического эндоскопа, который содержит несколько релейных оптик, согласно фиг. 1.
На фиг. 1 показан пример выполнения релейной оптики 1 для применения в жестком эндоскопе. Релейная оптика 1 содержит две идентично выполненные линзовые системы 2 и бленду 3, которая расположена между линзовыми системами 2 в плоскости А, которая проходит перпендикулярно оптической оси О эндоскопа. Обе линзовые системы 2 релейной оптики 1 образованы зеркально симметрично друг другу относительно плоскости А.
На фиг. 2 схематично показана одна из обеих идентично выполненных линзовых систем 2, согласно фиг. 1. Линзовая система 2 содержит, при рассматривании от плоскости А, первую двояковыпуклую линзу 4, двояковогнутую линзу 5, стержневую линзу 6 и вторую двояковыпуклую линзу 7. Первая двояковыпуклая линза 4 имеет две выпуклые поверхности F1, F2 линзы. Двояковогнутая линза 5 имеет две вогнутые поверхности F3, F4 линзы. Стержневая линза 6 имеет обращенную к плоскости А выпуклую поверхность F5 линзы и противоположную плоскости А выпуклую поверхность F6 линзы. Вторая двояковыпуклая линза 7 имеет две выпуклые поверхности F7, F8 линзы.
Противоположная плоскости А поверхность F3 первой двояковыпуклой линзы 4 соединена замазкой с обращенной к плоскости А двояковогнутой линзой 5 с образованием одной единственной оптически эффективной поверхности. Противоположная плоскости А поверхность F4 двояковогнутой линзы 5 соединена замазкой с обращенной к плоскости А поверхностью F5 стержневой линзы 6. Противоположная плоскости А поверхность F6 стержневой линзы 6 соединена замазкой с противоположной плоскости А поверхностью F7 второй двояковыпуклой линзы 7. Таким образом, линзовая система 2 образует единственный конструктивный элемент.
Не соединенные замазкой линзовые поверхности F1, F8 первой двояковыпуклой линзы 4, соответственно, второй двояковыпуклой линзы 7, имеют дополнительно соответствующий противоотражательный слой 16. Они служат для уменьшения света рассеяния.
В таблице 1 показаны данные линз релейной оптики 1, согласно фиг. 1, с двумя идентичными, расположенными симметрично относительно бленды 3 линзовыми системами 2, согласно фиг. 2. Оптически эффективные поверхности релейной оптики 1 пронумерованы от 1 до 10 в таблице 1 от стороны объекта. Соответствующие позиции из фиг. 2 указаны в скобках. Все размеры, соответственно, указания длины, приведены в мм. Название стекол дано в соответствии с номенклатурой Шотта.
Таблица 1
Поверхность
Радиус
Толщина
Стекло
Диаметр
Объект
∞
0
2,5
Апертурная бленда
∞
4,40117
3,6
1(F8)
25,18
1,3
N-LASF41
3,6
2(F6,F7)
-14,3
23,7
N-BAK1
3,6
3(F4,F4)
-4, 475
0,8
N-KZFS11
3,6
4(F2,F3)
13,455
2,3
N-LASF44
3,6
5(F1)
-18,265
1,979656
3,6
Бленда (3)
∞
1,979656
3,6
6(F1)
18,265
2,3
N-LASF44
3,6
7(F2,F3)
-13,455
0,8
N-KZFS11
3,6
8(F4,F5)
4,475
23,7
N-BAK1
3,6
9(F6,F7)
14,3
1,3
N-LASF41
3,6
10(F8)
-25,18
4,40117
3,6
Изображение
-12,5
2,513237
Возможный вариант выполнения монокулярного эндоскопа 12 схематично показан на фиг. 3. Он содержит дистально расположенный объектив 14, оптическую релейную систему 11 с релейным модулем 10 и проксимально расположенный окуляр 15. Эндоскоп 12 содержит дополнительно хвостовик 17, в котором расположены указанные выше конструктивные элементы, соответственно оптические элементы 10, 14, 15. Релейный модуль 10 содержит несколько расположенных друг за другом вдоль оптической оси О релейных оптик 1, согласно фиг. 1.
Принцип действия показанного на фиг. 3 эндоскопа 12, в частности, таков, что расположенный на дистальном конце эндоскопа 12 объектив 14 создает первое промежуточное изображение 21а подлежащего наблюдению объекта. Релейный модуль 10 отображает дистальное, первое промежуточное изображение 21а на проксимальное, второе промежуточное изображение 21b. Таким образом, релейная система 11, соответственно релейный модуль 10, передает первое промежуточное изображение 21а от дистального к проксимальному концу эндоскопа 12. Расположенный на проксимальном конце эндоскопа 12 окуляр 15 создает затем второе промежуточное изображение 21b на не изображенном на фиг. 3 сенсорном элементе камеры.
Содержащие каждая две идентичные линзовые системы 2, согласно фиг. 2, релейные оптики 10 имеют автоматическую коррекцию, в частности, относительно хроматической аберрации. То есть, каждая релейная оптика 1 является сама по себе почти полностью исправленной относительно хроматической аберрации. Это позволяет располагать релейные оптики 1 друг за другом в большом количестве внутри релейного модуля 10, без слишком большой общей хроматической аберрации релейной системы 11. За счет этого эндоскоп 12 может быть реализован с различными конструктивными длинами при по существу одинаковом оптическом качестве.
Кроме того, коррекция искажений изображения не должна осуществляться с помощью расположенного после релейного модуля 10 окуляра 15. Поэтому окуляр 15 можно выполнять особенно компактным.
Отдельные релейные оптики 1 релейной системы 11, соответственно релейного модуля 10, образуют соответствующую оптическую оборачивающую система с масштабом отображения -1. Поскольку релейные оптики 1 расположены в релейном модуле 10 в нечетном количестве (например, пять), то релейная система 1 образует оптическую систему с масштабом отображения +1.
Пример выполнения стереоскопического эндоскопа 13 схематично показан на фиг. 4. В противоположность показанному на фиг. 3 монокулярному эндоскопу 12, стереоскопический эндоскоп 13 имеет два оптических канала. Стереоскопический эндоскоп 13 имеет хвостовик 20, в котором, при рассматривании от дистального конца, расположены объектив 18, стереоскопическая релейная система 11 с двумя релейными модулями 10, и проксимально расположенный окуляр 19.
В стереоскопической релейной системе 11 каждый из обоих релейных модулей 10 согласован с одним из обоих оптических каналов. Каждый из обоих релейных модулей 10 образует дистальное промежуточное изображение 21с, соответственно 21d, которое создается с помощью объектива 18, на втором проксимальном промежуточном изображении 21е, соответственно 21f. Создаваемые за счет этого проксимальные промежуточные изображения 21е, соответственно 21f, затем с помощью окуляра отображаются на не изображенной на фиг. 4 сенсорной камере.
Варианты выполнения, согласно фиг. 3 и 4, приведены в качестве примера. В частности, количество релейных оптик 1 не ограничено ни нечетным числом, ни конкретно числом пять.
В стереоскопическом эндоскопе 13, согласно фиг. 4, предусмотрен для обоих оптических каналов общий используемый объектив 18. В альтернативном варианте выполнения с каждым отдельным каналом может быть согласован собственный объектив.
Перечень позиций
1 Релейная оптика
2 Линзовая система
3 Бленда
4 Первая двояковыпуклая линза
5 Двояковогнутая линза
6 Стержневая линза
7 Вторая двояковыпуклая линза
10 Релейный модуль
11 Релейная система
12 Монокулярный эндоскоп
13 Стереоскопический эндоскоп
14,18 Объектив
15,19 Окуляр
16 Противоотражательное покрытие
17,20 Хвостовик эндоскопа
21а-21е Промежуточное изображение
А Плоскость симметрии
О Оптическая ось