ОБЪЕКТИВ КАМЕРЫ ДЛЯ ЭНДОСКОПА И ЭНДОСКОП
ENDOSCOPE CAMERA LENS AND ENDOSCOPE

Изобретение относится к объективу камеры для эндоскопа, содержащему расположенную на стороне объекта первую призму, расположенную на стороне изображения вторую призму, расположенную на стороне объекта первой призмы первую линзовую систему, расположенную на стороне изображения первой призмы вторую линзовую систему, расположенную на конце со стороны изображения объектива камеры параллельно продольной оси хвостовика эндоскопа сенсорную поверхность.
Эндоскопы применяются в минимально инвазивной хирургии, с целью обеспечения хирургу возможности видеть область тела, в которой лежит операционное поле. Применяются как монокулярные эндоскопы, так и стереоскопические эндоскопы, которые с помощью двух оптических каналов обеспечивают объемное ощущение глубины, которое 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 следующей за объективом оптической релейной системы на проксимальный конец хвостовика эндоскопа. На проксимальном конце хвостовика эндоскопа расположен окуляр, который отображает реальное промежуточное изображение для глаза человека. Вместо чисто оптического окуляра, окуляр может также содержать камерный адаптер с подходящим датчиком изображения, который обеспечивает возможность рассматривания изображения на экране и сохранения видеоинформации.
Обычно применяются как монокулярные эндоскопы, так и стереоскопические эндоскопы, которые обеспечивают дополнительно информацию глубины, с целью обеспечения возможности точного оперирования.
Из JP 6-160731 известен стереоскопический эндоскоп, который имеет две одинаковые релейные оптики, которые направляют изображение от объектива к окуляру. Окуляр содержит систему призм, которая с помощью двух отклонений лучей отображает параллельно со смещением создаваемые релейной оптикой реальные изображения на двух сенсорных поверхностях, которые расположены ортогонально относительно оптической оси О эндоскопа.
Аналогичная система с двумя переставляемыми призмами для отклонения лучей на ортогонально относительно оптической оси расположенные сенсорные поверхности раскрыта в ЕР 0 667 547 А2.
Дополнительно к этому, в уровне техники раскрыт окуляр в комбинации с адаптером для эндоскопа, который посредством однократного отклонения лучей с помощью наклоненного на угол 45° зеркала отображает промежуточное изображение релейной оптики на расположенную параллельно оптической оси сенсорную поверхность.
В DE 35 29 026 С2 раскрыт объектив камеры для эндоскопа, который за счет многократного отклонения лучей с помощью системы призм отображает промежуточное изображение релейной оптики на расположенную параллельно оптической оси сенсорную поверхность. Дополнительно к этому, в DE 35 29 026 С2 раскрыт объектив камеры с трехкратным отклонением лучей, при котором между вторым и третьим отклонением лучей расположены параллельно оптической оси оптические конструктивные элементы.
В эндоскопии хвостовик, на проксимальном конце которого находится объектив, и который содержит релейную оптику, должен иметь возможно меньший диаметр. В противоположность этому, сенсорная поверхность должна иметь определенную величину. Промежуточное изображение релейной оптики должно быть увеличено перед отображением на сенсорной поверхности. Это увеличение обычно сопровождается потерей оптического качества.
Задачей изобретения является создание объектива камеры для эндоскопа, который имеет компактную конструкцию, и с помощью которого обеспечивается возможность предотвращения потери оптического качества при увеличении.
Эта задача решена с помощью объектива камеры 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 камеры, согласно изобретению, содержащий:
- первую оптическую ось, которая задана продольной осью хвостовика эндоскопа, и вторую оптическую ось, которая смещена относительно первой оптической оси,
- расположенную на стороне объекта первую призму,
- расположенную на стороне объекта первой призмы первую линзовую систему и расположенную на стороне изображения первой призмы вторую линзовую систему, при этом первая линзовая система расположена вдоль первой оптической оси, и при этом вторая линзовая система расположена вдоль второй оптической оси, и
- расположенную на обращенном к изображению конце объектива камеры параллельно первой оптической оси сенсорную поверхность,
- отличается тем, что первая призма и вторая призма предназначены для вызывания первого, второго и третьего отклонения лучей в виде тройного отклонения лучей, так что с помощью первой призмы вызывается первое и второе отклонение лучей в виде двойного отклонения от первой оптической оси на вторую оптическую ось, и с помощью второй призмы вызывается третье отклонение лучей со второй оптической оси в виде одинарного отклонения лучей на расположенную параллельно первой оптической оси сенсорную поверхность,
- первая линзовая система содержит первую двояковогнутую линзу, двояковыпуклую вторую линзу, выполненную в виде стержневой линзы третью линзу, плоско-вогнутую четвертую линзу и двояковыпуклую пятую линзу в этой последовательности, если смотреть со стороны объекта, и
- вторая линзовая система содержит выпукло-плоскую шестую линзу, выполненную в виде менисковой линзы седьмую линзу, двояковыпуклую восьмую линзу и двояковогнутую девятую линзу в этой последовательности, если смотреть со стороны объекта.
Тройное отклонение луча обеспечивает возможность особенно компактного расположения оптических элементов внутри объектива камеры. За счет эксцентричного расположения второй линзовой системы (адаптерной оптики) достигается, в частности в объективе камеры для стереоскопического эндоскопа, особенно компактная конструкция. Расположение сенсорной поверхности параллельно оптической оси эндоскопа обеспечивает как для монокулярных, так и для стереоскопических эндоскопов компактное выполнение дистального конца. Первая линзовая система (окулярная оптика) дополнительно к этому выполнена так, что она исправляет возможно имеющиеся искажения изображения объектива и/или релейной оптики. В частности, компенсируется еще имеющаяся положительная кривизна поля изображения с помощью негативной кривизны поля изображения окулярной оптики. За счет этого достигается компактная конструкция объектива камеры. Одновременно с ее помощью может предотвращаться потеря оптического качества при увеличении. В частности, первая линзовая система является окулярной оптикой, а вторая линзовая система - адаптерной оптикой. Окулярная оптика вместе с адаптерной оптикой образует объектив камеры.
Кроме того, расположение стержневой линзы в качестве части второй линзы окулярной оптики обеспечивает возможность согласования длины эндоскопа, без увеличения диаметра хвостовика.
Двояковогнутая первая линза и двояковыпуклая вторая линза окулярной оптики в одном возможном предпочтительном варианте выполнения могут быть соединены друг с другом замазкой и корригированы хроматически. Кроме того, третья линза, плоско-вогнутая четвертая линза и двояковыпуклая пятая линза окулярной оптики могут быть соединены друг с другом замазкой и корригированы хроматически.
Кроме того, предпочтительно, когда двояковыпуклая восьмая линза и двояковогнутая девятая линза адаптерной оптики также соединены друг с другом замазкой и корригированы хроматически.
В одной предпочтительной модификации стержневая линза и плоско-вогнутая четвертая линза окулярной оптики также соединены друг с другом замазкой и корригированы хроматически. Это соединение замазкой оптических элементов в соединенное замазкой звено обеспечивает простой монтаж его в эндоскоп. В частности, выполнение стержневой линзы и соединенного замазкой звена с соответствующей плоской поверхностью, позволяет выполнять нацеливание на стадии юстировки посредством бокового смещения. Соединяемое замазкой звено не нуждается в оправе, поскольку его можно соединять замазкой непосредственно после юстирования. Это важно в частности, для стереоскопических эндоскопов. За счет осевого сдвига окулярной оптики 4 можно устанавливать резкость, в частности, при монтаже, на определенное расстояние.
Предпочтительно, параллельно сенсорной поверхности расположена плоскопараллельная стеклянная пластина для ее защиты.
Например, одна или несколько линз окулярной оптики и/или одна или несколько линз адаптерной оптики имеют на своей свободно лежащей на воздухе наружной поверхности противоотражательный слой. Он служит для минимизации рассеяния света и связанного с этим уменьшения оптического качества эндоскопа. Кроме того, противоотражательный слой повышает оптическую проницаемость.
Например, одна или несколько поверхностей первой или, соответственно, второй призмы содержат высоко отражающий слой. Он служит для отражения возможно большего количества света при отклонении лучей и повышения оптического качества системы.
Предпочтительно, когда одна или несколько расположенных параллельно первой оптической оси и перпендикулярно сенсорной поверхности поверхностей первой призмы и/или второй призмы имеют черное матовое покрытие. Это также служит для минимизации рассеяния света и связанного с этим уменьшения оптического качества эндоскопа.
Кроме того, предпочтительно, когда один или несколько компонентов объектива камеры состоят из флинт-стекла или крон-стекла. Высокая дисперсия флинт-стекол позволяет, с одной стороны, выполнять соответствующую линзовую систему с желаемыми ахроматическими свойствами, в частности, посредством комбинирования легких и тяжелых флинт-стекол с различными показателями преломления. С другой стороны, применение, в частности бариевого крон-стекла, является предпочтительным на основании его оптических передаточных свойств.
В другой предпочтительной модификации, в адаптерной оптике расположено устройство для юстировки резкости изображения и увеличения. В частности, в стереоскопическом эндоскопе можно по отдельности устанавливать резкость изображения и увеличение для каждого из обоих каналов. Резкость изображения можно устанавливать также посредством сдвига датчика изображения.
Кроме того, изобретение относится к стереоскопическому объективу камеры, который содержит два попарно расположенных объектива камеры указанного выше вида.
Согласно другому аспекту изобретения предлагается монокулярный или стереоскопический эндоскоп. Монокулярный эндоскоп содержит указанный выше объектив камеры. Стереоскопический эндоскоп содержит указанный стереоскопический объектив камеры.
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 - объектив камеры, согласно первому примеру выполнения;
фиг. 2 - пример окулярной оптики объектива камеры, согласно фиг. 1;
фиг. 3 - объектив камеры, согласно фиг. 1, с плоскостью изображения, ортогональной сенсорной поверхности, без изображения окулярной оптики;
фиг. 4 - объектив камеры, согласно фиг. 1, с плоскостью изображения, параллельной сенсорной поверхности, без изображения окулярной оптики;
фиг. 5 - монокулярный эндоскоп, согласно одному примеру выполнения; и
фиг. 6 - стереоскопический эндоскоп, согласно одному примеру выполнения.
На фиг. 1 показан схематично объектив 1 камеры, согласно одному возможному примеру выполнения. Объектив 1 камеры содержит окулярную оптику 4, расположенную на стороне объекта призму 2, адаптерную оптику 5, расположенную на стороне изображения призму 3 и сенсорную поверхность 20. Показано также промежуточное изображение 23 расположенной перед объективом 1 камеры, на фиг. 1 не изображенной оптической релейной системы.
Окулярная оптика 4 содержит несколько линз 6-10, в частности, стержневую линзу 8, и показана более подробно на фиг. 2. Предпочтительно, окулярная оптика 4 выполнена с возможностью коррекции искажений изображения находящейся перед ней оптики, например, не изображенной на фиг. 1 оптической релейной системы. Эти искажения изображения могут быть, например, кривизной поля изображения.
Кроме того, объектив 1 камеры содержит расположенную параллельно или, соответственно, эксцентрично оптической оси О1 хвостовика эндоскопа адаптерную оптику 5. Адаптерная оптика 5 содержит несколько линз 11-14. Для настройки резкости изображения и увеличения в адаптерной оптике 5 расположено устройство 16, которое позволяет выполнять юстировку отдельных линз 11-14. На фиг. 3 адаптерная оптика 5 показана более подробно.
Необходимые отклонения лучей реализуются, с одной стороны, с помощью расположенной на стороне объекта призмы 2, которая отклоняет корригированное с помощью окулярной оптики реальное промежуточное изображение 23. С другой стороны, расположенная на стороне изображения призма 3 отклоняет лучи адаптерной оптики 5 на сенсорную поверхность 20 (т.е. датчик изображения), при этом датчик изображения 20 расположен параллельно оптической оси. Таким образом, вместе с эксцентричным расположением адаптерной оптики 5 достигается особенно компактная конструкция объектива 1 камеры. Кроме того, для защиты датчика 20 изображения, между призмой 3 на стороне изображения и датчиком 20 изображения расположено плоскопараллельное стекло 15.
На фиг. 2 схематично показан возможный вариант выполнения расположения на оптической оси О1 окулярной оптики 4. Как показано на фиг. 2, окулярная оптика содержит двояковогнутую линзу 6, двояковыпуклую линзу 7, стержневую линзу 8, плоско-параллельную линзу 9 и двояковыпуклую линзу 10. Кроме того, на фиг. 2 показано промежуточное изображение 23. Линзы 6-10 в показанном варианте выполнения расположены в двух линзовых группах. Первая линзовая группа образована с помощью двояковогнутой линзы 6 и двояковыпуклой линзы 7. Обе линзы 6, 7 первой линзовой группы соединены друг с другом замазкой и образуют ахромат. Кроме того, окулярная оптика 4 содержит вторую линзовую группу, состоящую из стержневой линзы 8, плоско-вогнутой линзы 9 и двояковыпуклой линзы 10. Линзы 8, 9 и 10 второй линзовой группы соединены друг с другом замазкой. Плоско-вогнутая линза 9 и двояковыпуклая линза 10 выполнены так, что они образуют ахромат. Стержневая линза 8 выполнена так, что она минимизирует кривизну поля изображения предшествующей оптики, например, не изображенной оптической релейной системы. Кроме того, стержневая линза 8 обеспечивает согласование длины эндоскопа, без увеличения при этом диаметра хвостовика. Между первой и второй линзовой группой может быть расположен воздушный зазор.
Для уменьшения рассеяния света, поверхности, которые расположены перпендикулярно оптической оси О1 и не находятся в контакте с другими поверхностями, имеют протвоотражательное покрытие 25 (см. фиг. 2).
На фиг. 3 схематично показана расположенная на стороне изображения часть объектива 1 камеры. Эта часть содержит эксцентрично расположенную адаптерную оптику 5, датчик 20 изображения и призмы 2, 3 для отклонения лучей.
Расположенная на стороне объекта призма 2 осуществляет отклонение лучей от оптической оси О1 на оптическую ось О2 адаптерной оптики 5. Расположенная на стороне изображения призма 3 осуществляет отклонение лучей с оптической оси О2 адаптерной оптики 5 на расположенный параллельно оптической оси О1 датчик 20 изображения. Обе призмы 2, 3 имеют для уменьшения потери света за счет передачи по сторонам высоко отражающее покрытие 24, на котором происходит отклонение лучей. Для предотвращения рассеяния света другие стороны имеют либо противоотражательное покрытие 25, либо не изображенное на фиг. 3 черное матовое покрытие 26 (см. фиг. 4).
Расположенная параллельно оптической оси О1 адаптерная оптика 5 содержит вогнуто-плоскую линзу 11, менисковую линзу 12, двояковыпуклую линзу 13 и двояковогнутую линзу 14. двояковыпуклая линза 13 и двояковогнутая линза 14 соединены друг с другом замазкой и корригированы хроматически. Кроме того, показано устройство 16 для перестановки адаптерной оптики 5. Устройство 16 особенно предпочтительно в стереоскопическом эндоскопе, поскольку с его помощью можно по отдельности устанавливать резкость изображения и увеличение для каждого из обоих каналов изображения.
На фиг. 4 схематично показана расположенная на стороне изображения часть объектива 1 камеры. В отличие от фиг. 3, плоскость изображения на фиг. 4 параллельна датчику 20 изображения. Эта часть содержит эксцентрично адаптерную оптику 5 и призмы 2, 3 для отклонения лучей. В частности, показано черное матовое покрытие 26 обеих призм 2, 3, которое служит для уменьшения рассеяния света.
В таблице 1 показаны данные линз объектива 1 камеры, согласно фиг. 1-4. Оптически эффективные поверхности пронумерованы в таблице 1 от 1 до 22. Все указания длины приведены в мм. Обозначение стекол дано в соответствии с номенклатурой фирмы Шотт.
Таблица 1
Поверхность
Радиус
Толщина
Стекло
Диаметр
Объект
Бесконечный
0
2,5
1
Бесконечный
2,59
2,6
2
-9,12
0,5
N-SF4
2,4
3
4,678
1
N-LAF21
3,4
4
-6,1
1,234
3,4
5
Бесконечный
14
N-LAF21
3,4
6
Бесконечный
0
3,4
7
Бесконечный
0,6999951
N-SF15
3,2
8
8,64
1,45
N-LAF21
3,2
9
-14
4,1
3,2
10
Бесконечный
3
3,6
11
Бесконечный
19
N-BK7
2,58688
12
Бесконечный
3
5,451527
13
22,16
1
N-BK7
7
14
Бесконечный
0,4999999
7
15
15,125
1
N-SK5
7
16
50
1,533036
7
17
10,58
1,4
N-LAK21
7
18
-21,76
1
LF5
7
19
6,2
11,9043
5,8
20
Бесконечный
7
ВК7
5,747444
21
Бесконечный
0,5
5,942784
22
Бесконечный
0,5
ВК7
5,963899
Апертурная бленда
Бесконечный
0,99
5,977852
Изображение
Бесконечный
-
6,058665
На фиг. 5 показан пример выполнения монокулярного эндоскопа 18, который содержит объектив 1 камеры, согласно фиг. 1-4. Монокулярный эндоскоп 18 содержит, если смотреть со стороны объектива, объектив 21, оптическую релейную систему 30 с релейным модулем 22 с несколькими компонентами 22а - 22е релейного модуля и объектив 1 камеры. Кроме того, эндоскоп 18 имеет хвостовик 27, в котором расположены названные выше элементы.
Расположенный на дистальном конце эндоскопа 18 объектив 21 создает первое промежуточное изображение 28 подлежащего наблюдению объекта. Релейная система 22 образует дистальное, первое промежуточное изображение 28 на проксимальном, втором промежуточном изображении 23. Таким образом, релейная система 22 передает первое промежуточное изображение 28 также от дистального к проксимальному концу эндоскопа 18. Расположенный на проксимальном конце эндоскопа объектив 1 камеры образует, наконец, второе промежуточное изображение 23 на не изображенной на фиг. 5 сенсорной поверхности 20.
Пример выполнения стереоскопического эндоскопа 19 схематично показан на фиг. 6. В отличие от показанного на фиг. 6 монокулярного эндоскопа 18, стереоскопический эндоскоп 19 имеет два оптических канала. Стереоскопический эндоскоп 19 имеет хвостовик 27, в котором, если смотреть от дистального конца объектив 21, расположены релейная система 30 с двумя релейными модулями 22 (стереоскопическая релейная система) и проксимально расположенный объектив 17 камеры.
Объектив 21 отображает подлежащий наблюдению объект на двух дистальных промежуточных изображениях 28, с каждым из которых согласован соответствующий оптический канал. Стереоскопическая релейная система 22, согласно фиг. 6, отображает соответствующее одно из обоих промежуточных изображений 28 на соответствующем одном из обоих проксимальных промежуточных изображениях 23. Объектив 17 камеры на фиг. 6 образован с помощью двух объективов 1 камеры, согласно фиг. 1-4. При этом один их обоих объективов 1 камеры согласован с одним из оптических каналов. Каждый из обоих объективов 1 камеры образует в конечном итоге соответствующее проксимальное, второе промежуточное изображение 23 на соответствующей сенсорной поверхности 20.
Перечень позиций
1 Объектив камеры
2 Призма на стороне объект
3 Призма на стороне изображения
4 Окулярная оптика
5 Адаптерная оптика
6 Двояковыпуклая первая линза
7 Двояковогнутая вторая линза
8 Стержневая линза (третья линза)
9 Плоско-вогнутая четвертая линза
10 Двояковыпуклая пятая линза
11 Выпукло-плоская шестая линза
12 Менисковая линза (седьмая линза)
13 Двояковыпуклая восьмая линза
14 Двояковогнутая девятая линза
15 Плоскопараллельная стеклянная пластина
16 Юстировочное устройство
17 Стереоскопический объектив камеры
18 Монокулярный эндоскоп
19 Стереоскопический эндоскоп
20 Сенсорная поверхность
21 Объектив
22 Релейный модуль
23,28 Промежуточное изображение
24 Высоко отражающее покрытие
25 Противоотражательное покрытие
26 Черное матовое покрытие
27 Хвостовик
30 Релейная система
О1, О2 Оптическая ось