ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ЭНДОСКОПА И ЭНДОСКОП
ENDOSCOPE LENS AND ENDOSCOPE

Изобретение относится к объективу для эндоскопа, содержащему расположенную на стороне объекта линзовое звено, которое содержит плоско-выпуклую стержневую линзу, и расположенное на стороне изображения линзовое звено, которое содержит на расположенном на стороне изображения конце объектива двояковыпуклую линзу. Кроме того, изобретение относится к монокулярному эндоскоп или стереоскопическому эндоскопу.
Эндоскопы применяются, в частности, в минимально инвазивной хирургии, с целью обеспечения хирургу возможности видеть область тела, в которой лежит операционное поле. 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 следующей за объективом оптической релейной системы на проксимальный конец 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.
В частности, в стереоскопических эндоскопах часто трудно или даже невозможно ориентировать эндоскоп так, что подлежащий наблюдению объект лежит на оси жесткого хвостовика эндоскопа. Обычно для этого изготавливаются объективы, которые предусматривают по меньшей мере одно отклонение лучей, и тем самым обеспечивают возможность наблюдения объектов, которые не лежат на оси хвостовика эндоскопа.
Эндоскопы, в которых оптическая ось расположенных на стороне объекта линзовых элементов проходит под углом относительно оси хвостовика эндоскопа, называются в последующем также эндоскопами наклонного вида. В противоположность этому, эндоскопы, которые обеспечивает возможность наблюдения лишь объектов, которые лежат по существу на оси хвостовика эндоскопа, называются эндоскопами прямого вида.
Из CN 105093515 А известен объектив для эндоскопа прямого вида, который содержит два линзовых звена, из которых расположенное на стороне объекта линзовое звено содержит стеклянный стержень, а также плоско-выпуклую стержневую линзу, и расположенное на стороне изображения линзовое звено содержит двояковыпуклую линзу. Кроме того, в CN 105093515 А раскрыт объектив для эндоскопа наклонного вида. Необходимое для этого отклонение лучей реализуется с помощью призмы.
В US 5 051 824 А также раскрыт объектив для эндоскопа наклонного вида.
Исходя из известного уровня техники, задачей изобретения является создание объектива для эндоскопа, который имеет простую и компактную конструкцию при высоком оптическом качестве.
Эта задача решена с помощью объектива с признаками пункта 1 формулы изобретения и с помощью монокулярного или стереоскопического эндоскопа с признаками пункта 15 формулы изобретения. Предпочтительные модификации указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Объектив, согласно изобретению, содержит расположенное на стороне объекта линзовое звено, которое содержит плоско-выпуклую стержневую линзу, и расположенное на стороне изображения линзовое звено, которое содержит на расположенном на стороне изображения конце объектива двояковыпуклую линзу. Расположенное на стороне объекта линзовое звено содержит плоско-выпуклую первую линзу и двояковогнутую вторую линзу, которые образуют переднюю линзу и расположены в этой последовательности на стороне объекта плоско-выпуклой стержневой линзы, которая образует третью линзу. Расположенное на стороне изображения линзовое звено содержит, если смотреть со стороны объекта, двояковыпуклую четвертую линзу, вогнуто-плоскую пятую линзу и двояковогнутую шестую линзу, которые расположены в этой последовательности на стороне объекта, расположенной на расположенном на стороне изображения конце объектива двояковыпуклой линзы, которая образует седьмую линзу.
Оптические элементы объектива, согласно изобретению, предпочтительно действуют совместно, с целью создания промежуточного изображения высокого оптического качества. В частности, специально выполненное линзовое звено создает промежуточное изображение с заданной, негативной кривизной поля изображения. Эта кривизна поля изображения может быть корригирована с помощью других оптических элементов, в частности оптической релейной системы и окуляра, так что получается отображение без значительной кривизны поля изображения (соответственно, с меньшим искажением и/или без астигматизма). Объектив, согласно изобретению, содержит дополнительно лишь несколько крепежных элементов, соответственно оптических конструктивных частей, и имеет за счет этого простую и компактную конструкцию. Благодаря этому достигается простая и компактная конструкция при высоком оптическом качестве. В частности, объектив, согласно изобретению, имеет сравнительно небольшой диаметр, например, при поле зрения (FOV) больше 70°.
В одной предпочтительно модификации двояковыпуклая четвертая линза, вогнуто-плоская пятая линза, двояковогнутая седьмая линза расположенного на стороне изображения линзового звена соединены друг с другом замазкой. За счет применения соединенных замазкой линз, называемых в последующем соединенными замазкой звеньями, можно значительно уменьшить затраты на изготовление и монтаж. В частности, все расположенное на стороне изображения линзовое звено может быть выполнено в виде одного единственного конструктивного элемента.
В другом предпочтительном варианте выполнения плоско-выпуклая первая линза и двояковогнутая вторая расположенного на стороне объекта линзового звена могут быть соединены друг с другом замазкой. Эти обе линзы совместно называются далее передней линзой. Передняя линза может быть выполнена, в частности, в виде ахромата. Кроме того, двояковогнутая вторая линза может быть соединена замазкой с плоско-выпуклой третьей линзой. За счет этого расположенное на стороне объекта линзовое звено может быть выполнено в виде одного единственного конструктивного элемента.
Предпочтительно, когда оптическая ось передней линзы проходит под углом относительно продольной оси хвостовика эндоскопа, когда между двояковогнутой второй линзой и плоско-выпуклой третьей линзой расположена призма так, что она вызывает отклонение лучей от оптической оси передней линзы на продольную ось хвостовика эндоскопа, и когда призма соединена замазкой с плоско-выпуклой третьей линзой. Примеры выполнения для отклонения лучей называются в последующем также объективами наклонного вида, с целью отличия их от объективов прямого вида без призмы.
В одной предпочтительной модификации объектива наклонного вида между двояковогнутой второй линзой и призмой расположена плоскопараллельная стеклянная пластина, которая соединена замазкой с двояковогнутой второй линзой. Плоскопараллельная стеклянная пластина может быть, в частности, выполнена так, что длина пути через стекло объектива наклонного вида удлиняется до длины пути через стекло объектива прямого вида. Если длина пути расположенного на стороне объектива линзового звена в объективе прямого вида равна длине пути через стекло объектива наклонного вида, то расположенное на стороне изображения линзовое звено может быть выполнено в обоих вариантах выполнения идентично.
В одном предпочтительной модификации объектива прямого вида между передней линзой и плоско-выпуклой третьей линзой расположен стеклянный стержень, в частности, с двумя плоскопараллельными поверхностями. Стеклянный стержень может быть соединен замазкой с плоско-выпуклой третьей линзой и двояковогнутой второй линзой. За счет расположения стеклянного стержня достигается, что плоско-выпуклая третья линза как в примерах выполнения прямого вида, так и в примерах выполнения наклонного вида имеет одинаковую длину, без необходимости согласования длины объектива в целом.
Предпочтительно, плоско-выпуклая первая линза, двояковогнутая вторая линза, стеклянный стержень и/или плоско-выпуклая третья линза расположенного на стороне объекта линзового звена и/или двояковыпуклая четвертая линза, вогнуто-плоская пятая линза, двояковогнутая шестая линза и/или двояковыпуклая седьмая линза расположенного на стороне изображения линзового звена состоят из флинт-стекла.
Плоско-выпуклая первая линза, стеклянный стержень, плоско-выпуклая третья линза, плоскопараллельная стеклянная пластина, двояковыпуклая четвертая линза, вогнуто-плоская пятая линза, двояковогнутая шестая линза и/или двояковыпуклая седьмая линза имеют, например, противоотражательное покрытие. Противоотражательное покрытие служит для уменьшения света рассеяния и связанного с этим ухудшения оптического качества объектива. Кроме того, противоотражательное покрытие повышает также оптическую пропускаемость.
Призма имеет, в частности, сильно отражающее покрытие на тех поверхностях, на которых свет отражается для отклонения лучей. Такое покрытие уменьшает потерю света за счет передачи при отражении.
В одной предпочтительной модификации плоско-выпуклая первая линза, двояковогнутая вторая линза, призма и/или плоскопараллельная стеклянная пластина окружены материалом так, что соответствующий диаметр элемента согласован с диаметром плоско-выпуклой третьей линзы и/или стеклянного стержня. Таким образом, может достигаться, что оптические конструктивные элементы объектива имеют одинаковый диаметр, что облегчает монтаж и повышает оптическую и механическую стабильность.
Кроме того, предпочтительно, когда на стороне объектива передней линзы расположен плоскопараллельный диск, который, например, состоит из сапфира. Применения сапфира предпочтительно на основании высокого коэффициента пропускания для релевантных длин волн, его химических свойств (в частности, сапфир химически инертен) и его механических свойств, в частности, его стойкости к царапанию и истиранию.
В другой предпочтительной модификации объектив имеет место механического разделения между расположенным на стороне объекта линзовым звеном и расположенным на стороне изображения линзовым звеном.
Кроме того, изобретение относится к стереоскопическому объективу. Стереоскопический эндоскоп содержит два объектива указанного выше вида.
Согласно другому аспекту изобретения предлагается монокулярный эндоскоп или стереоскопический эндоскоп. Монокулярный эндоскоп содержит указанный выше объектив. Стереоскопический эндоскоп содержит указанный стереоскопический объектив.
Другие признаки и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания, в котором на основании примеров выполнения более подробно поясняется изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - пример выполнения объектива для эндоскопа;
фиг. 2 - пример выполнения расположенного на стороне изображения линзового звена для объектива, согласно фиг. 1; и
фиг. 3 - пример выполнения монокулярного эндоскопа, который содержит объектив, согласно фиг. 1; и
фиг. 4 - пример выполнения стереоскопического эндоскопа, который содержит два объектива, согласно фиг. 1.
На фиг. 1 схематично показан пример выполнения объектива 1 для эндоскопа 24, 25. В показанном примере выполнения объектив 1 является объективом прямого вида, т.е. показанный пример выполнения пригоден для наблюдения объектов, которые лежат по существу на оси О1 не изображенного на фиг. 1 хвостовика эндоскопа.
Эндоскоп 1 содержит расположенное на стороне объекта линзовое звено 2 и расположенное на стороне изображения линзовое звено 3. Расположенное на стороне объекта линзовое звено 2 отделено от расположенного на стороне изображения линзового звена 3 с помощью места 22 механического разделения.
Расположенное на стороне объекта линзовое звено 2 содержит, если смотреть со стороны объекта, переднюю линзу 4, стеклянный стержень 14 с двумя плоскопараллельными поверхностями и плоско-выпуклую третью линзу 7, которая выполнена в виде стержневой линзы. Передняя линза 4 образована плоско-выпуклой первой линзой 5 и двояковогнутой второй линзой 6. Обе линзы 5, 6 передней линзы 4 соединены друг с другом замазкой. Передняя линза 4 соединена замазкой со стеклянным стержнем 14. Кроме того, стеклянный стержень 14 соединен замазкой с плоско-выпуклой третьей линзой 7, так что расположенное на стороне объекта линзовое звено 2 образует один единственный конструктивный элемент. На стороне объекта передней линзы 4 расположено стеклянное окно 17 из сапфира.
Расположенное на стороне изображения линзовое звено 3 содержит, если смотреть со стороны объекта, первую линзовую группу 8 и вторую линзовую группу 11. Первая линзовая группа 8 содержит, если смотреть со стороны объекта, двояковыпуклую четвертую линзу 9 и вогнуто-плоскую пятую линзу 10, которые соединены друг с другом замазкой. Вторая линзовая группа 11 содержит, если смотреть со стороны объекта, двояковогнутую шестую линзу 12 и двояковыпуклую седьмую линзу 13, которые также соединены друг с другом замазкой. Обе линзовые группы расположенного на стороне изображения линзового звена 3, например, за счет соединения замазкой вогнуто-плоской пятой линзы 10 и двояковогнутой пятой линзы 12, соединены друг с другом, так что расположенное на стороне изображения линзовое звено 3 образует один единственный конструктивный элемент. В противоположность этому, в примере выполнения, согласно фиг. 1, обе линзовые группы 8, 11 расположенного на стороне изображения линзового звена 3 не соединены друг с другом замазкой.
Передняя линза 4, плоско-выпуклая третья линза 7, двояковыпуклая четвертая линза 9 первой линзовой группы 8, вогнуто-плоская пятая линза 10 первой линзовой группы 8 и двояковыпуклая седьмая линза 13 второй линзовой группы 11 имеют на соединенных замазкой поверхностях противоотражательное покрытие 18. Кроме того, объектив 1 имеет на двояковогнутой второй линзе 6 и вогнуто-плоской пятой линзе 10 зачерненные поверхности 19.
Первая линзовая группа 8 и вторая линзовая группа 11 расположенного на стороне изображения линзового звена 3 образуют сами по себе соответствующую ахроматическую систему линз. Расположенное на стороне изображения линзовое звено 3 создает хроматически корригированное промежуточное изображение 31 с заданной, негативной кривизной поля изображения. Место 22 механического разделения обеспечивает возможность простой замены расположенного на стороне объекта линзового звена 2. Зачерненные поверхности 18 действуют в объективе 1 в качестве бленд (в частности, в качестве бленды для минимизации света рассеяния, а не в качестве бленды поля зрения или апертуры).
В таблице 1 показаны данные линз объектива 1, согласно фиг. 1. Оптически эффективные поверхности пронумерованы в таблице 1 от 1 до 10. Все указания длины приведены в мм. Обозначение стекол дано в соответствии с номенклатурой фирмы Шотт.
В таблице 2 приведены параксиальные оптические данные объектива 1, согласно фиг. 1.
Таблица 1
Поверхность
Радиус
Толщина
Стекло
Диаметр
Объект
Бесконечный
50
74,43
1
Бесконечный
0,5
N-LASF46А
2,8
2
-2,84
0,3
N-BAF4
2,8
3
8,85
0,368
1,4
4
Бесконечный
7,3
N-LASF44
3,6
5
-3,15
0,306
3,6
6
5,4
1,4
N-LAF21
3,6
7
-3,7
0,7
N-SF6
3,6
8
Бесконечный
0,447
3,6
9
-2,92
1,1
N-SF1
3,6
10
2,92
2,5
N-LASF31
3,6
Таблица 2
Фокусное расстояние
NA
0,086
Угол поля зрения
72
Диаметр изображения (диагональ)
Радиус кривизны поля изображения
Диаметр оптики
На фиг. 2 показан пример выполнения расположенного на стороне объекта линзового звена 2 для объектива 1, согласно фиг. 1. Показанное на фиг. 2 расположенное на стороне объекта линзовое звено 2 пригодно для применения в объективе наклонного вида. Расположенное на стороне объекта линзовое звено 2, согласно фиг. 2, отличается от расположенного на стороне объекта линзового звена 2, согласно фиг. 1, по существу призмой 15, расположенной между передней линзой 4 и плоско-выпуклой третьей линзой 7. Кроме того, расположенное на стороне объекта линзовое звено 2 содержит здесь плоскопараллельную стеклянную пластину 18, которая расположена между передней линзой 4 и призмой 15. Призма 5 образована тремя элементами 15а, 15b, 15c, из которых лишь один (15b) является оптически эффективным. Поверхности призмы 15, которые отражают падающий в объектив 1 свет, имеют, например, высокоотражающее покрытие 20. В показанном примере выполнения два лежащих снаружи элемента 15а, 15с имеют более низкий коэффициент преломления, чем лежащий внутри элемент 15b, за счет чего может быть реализовано полное отражение на пограничных поверхностях. Поэтому высокоотражающее покрытие в примере выполнения, согласно фиг. 1, не обязательно необходимо.
Призма 15 реализует отклонение лучей с оптической оси О2 передней линзы 4 на ось О1 не изображенного на фиг. 2 хвостовика эндоскопа. Опрокидывание позволяет наблюдать объекты, которые не лежат на оси О1 хвостовика эндоскопа. Показано в качестве примера опрокидывание осей на 30°, однако возможны также другие углы опрокидывания, например, 15°, 45° или 90°. Плоскопараллельная стеклянная пластина 16 обеспечивает, что длина пути через стекло расположенного на стороне объекта линзового звена 2, согласно фиг. 2, соответствует длине пути через стекло расположенного на стороне объекта линзового звена 2, согласно фиг. 1. При этом путь через стекло, соответствует в частности, пути, который проходит свет внутри оптических элементов. Поэтому в обоих примерах выполнения показанное на фиг. 1 расположенное на стороне объекта линзовое звено 3 можно применять вместе с соответствующим расположенным на стороне объекта линзовым звеном 2. Место 22 механического разделения объектива 1, согласно фиг. 1, позволяет заменять расположенное на стороне объекта линзовое звено 2 объектива 1, например, расположенным на стороне объекта линзовым звеном 2, согласно фиг. 2, с целью реализации эндоскопа 24 с наклонным видом. Таким образом, эндоскоп 24 можно просто согласовывать с различными потребностями.
На фиг. 3 показан пример выполнения монокулярного эндоскопа 24, который содержит объектив 1, согласно фиг. 1. Монокулярный эндоскоп 24 содержит, если смотреть со стороны объектива, объектив 1, оптическую релейную систему 28 с релейным модулем 27 с несколькими компонентами 27а - 27е релейного модуля и окуляр 26. Кроме того, эндоскоп 24 имеет хвостовик 30, в котором расположены названные выше элементы.
Расположенный на дистальном конце эндоскопа 24 объектив 1 создает первое промежуточное изображение 31 подлежащего наблюдению объекта. Релейная система 27 образует дистальное, первое промежуточное изображение 31 на проксимальном, втором промежуточном изображении 32. Таким образом, релейная система 27 передает первое промежуточное изображение 31 также от дистального к проксимальному концу эндоскопа 24. Расположенный на проксимальном конце эндоскопа 24 окуляр 26 образует, наконец, второе промежуточное изображение 32 на не изображенной на фиг. 3 сенсоре камеры.
Созданное объективом 1 дистальное промежуточное изображение 31 имеет негативную кривизну поля изображения. Оптическая релейная система 28 предназначена для коррекции кривизны поля изображения объектива 1. Таким образом, изображение эндоскопа 24 не имеет или имеет лишь пренебрежимо малую кривизну поля изображения при компактной конструкции всех оптических конструктивных элементов.
Пример выполнения стереоскопического эндоскопа 25 схематично показан на фиг. 4. В отличие от показанного на фиг. 3 монокулярного эндоскопа 24, стереоскопический эндоскоп 25 имеет два оптических канала. Стереоскопический эндоскоп 25 имеет хвостовик 30, в котором, если смотреть от дистального конца, расположены релейная система 28 с двумя релейными модулями 27 для каждого из обоих оптических каналов (стереоскопическая релейная система) и проксимально расположенный окуляр 29.
Объектив 23 образован с помощью двух объективов 1, согласно фиг. 1. При этом каждый из обоих объективов 1 согласован с одним из оптических каналов. Каждый из обоих объективов 1 создает из подлежащего наблюдению объекта первое промежуточное изображение 31. Стереоскопическая релейная система 28, согласно фиг. 2, отображает соответствующее одно из обоих промежуточных изображений 31 на соответствующем одном из обоих проксимальных промежуточных изображениях 32. Созданные за счет этого проксимальные промежуточные изображения затем с помощью окуляра 29 отображаются на не изображенном на фиг. 4 сенсоре камеры.
Перечень позиций
1 Объектив
2 Расположенное на стороне объект линзовое звено
3 Расположенное на стороне изображения линзовое звено
4 Передняя линза
5 Плоско-выпуклая первая линза
6 Двояковогнутая вторая линза
7,7' Плоско-выпуклая третья линза (стержневая линза)
8 Первая линзовая группа
9 Двояковыпуклая четвертая линза
10 Вогнуто-плоская пятая линза
11 Вторая линзовая группа
12 Двояковогнутая шестая линза
13 Двояковыпуклая седьмая линза
14 Стеклянный стержень
15 Призма
16 Плоскопараллельная стеклянная пластина
17 Стеклянное окно из сапфира
18 Противоотражательное покрытие
19 Зачерненная поверхность
20 Высокоотражающее покрытие
22 Место механического разделения
23 Стереоскопический объектив
24 Монокулярный эндоскоп
25 Стереоскопический эндоскоп
26, 29 Окуляр
27 Релейный модуль
28 Релейная система
30 Хвостовик
31,32 Промежуточное изображение
О1 Ось хвостовика эндоскопа
О2 Оптическая ось передней линзы.