DE2458306A1

DE2458306A1 - Optisches system mit schraeg nach vorn gerichtetem sichtfeld

Info

Publication number: DE2458306A1
Application number: DE19742458306
Authority: DE
Inventors: Nobuo Yamasita
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1973-12-13
Filing date: 1974-12-10
Publication date: 1975-06-26
Also published as: DE2458306C3; JPS5856848B2; DE2458306B2; JPS5091333A

Description

Optisches System mit schräg nach vorn gerichtetem Sichtfeld Die Erfindung bezieht sicht auf ein optisches System mit schräg nach vorn gerichtetem Sichtfeld zur Anwendung in langen und dünnen optischen Bildübertragunçvorrichtungen, z.B. Endoskopen, bei denen die Beobachtungsrichtung unter einem vorgegebenen Winkel zur Bildübertragungsrichtung (Längsrichtung des Endoskops) liegt.
Ein am distalen Ende einer langen und dünnen optischen Bildübertragungsvorrichtung angeordnetes optisches System muß insbesondere in .Bezug auf seinen Außendurchmesser generell klein sein. Dies hat folgende Gründe: Wenn ein Endoskop einen größeren Außendurchmesser hat, ist das Einsetzen des Endoskops für den Patienten sehr schmerzhaft. Darüber hinaus ist der Außendurchmesser durch den zu beobachtenden Bereich physikalisch beschränkt, und es ist u.U. unmöglich-, das distale Ende bei relativ großem Außendurchmesser einzuführen. Bei einem Cystoskop ist beispielsweise ein sehr dünnes distales Ende mit einem Außendurchmesser von 2 bis 3 mm erforderlich.
Bei im distalen Ende angeordneten optischen Systemen, die für von der Vorwärtsrichtung abweichende Sichtrichtungen verwendet werden, können die zuvor genannten Bedingungen dadurch erfüllt werden, daß bei einer um 0 90 von der Längsrichtung des Endoskops abweichenden Sicht- bzw. Beobachtungsrichtung oder im Falle einer 0 um 60 gegenüber der Vorwärtsrichtung geneigten Sichtrichtung ein gerades Dreikantprisma von 450 oder 300 verwendet wird. Wenn die Beobachtungsrichtung jedoch 0 um 30 gegenüber der Vorwärtsrichtung schräg nach vorn geneigt ist, ist die Anordnung des optischen Systems in der in den Fig. 1A und 1B gezeigten Weise unvermeidlich. Wie in den Fig. 1A oder IB gezeigt ist, muß ein Prisma P1 oder P2 geeigneter Form vor dem Objektiv O des Endoskops angeordnet werden, um die Richtung der gegenüber der optischen Achse des Objektivs 0 schräg von dem zu beobachtenden Objekt einfallenden Strahlen in die Richtung der optischen Achse des Objektivs O zu bringen. Das Bezugszeichen IG bezeichnet in den Figuren ein optisches Bildübertragungselement, z.B. eine Faseroptik, das in bekannter Weise derart angeordnet ist, daß das vom Objektiv entworfene Bild des Objekts auf seiner Endfläche fokussiert wird. Bei Verwendung eines Prismas der zuvor erwähnten bekannten Ausführung ist die in den Fig. 1A und IB mit h bezeichnete Abmessung groß, so daß das zuvor aufgezeigte Erfordernis des kleinen Außendurchmessers des distalen Endes nicht erfüllt werden kann. Würde der Außendurchmesser bei dem in den Fig. 1A und IB dargestellten optischen System ausreichend klein gemacht, um das entsprechende Anwendungserfordernis zu erfüllen, ist es unmöglich, genüged große wirksame Durchmesser der Eintritts- und Austrittsflächen zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches System mit einem schräg nach vorn gerichteten Sichtfeld für Endoskope anzugeben, das auch bei unter 0 einem relativ kleinen Winkel, z.B. 30 , gegenüber der optischen Achse geneigten Sicht- bzw. Beobachtungsrichtungen mit extrem kleinen Außendurchmessern hergestellt werden kann und eine ausgezeichnete Biläqualität ermöglicht.
Ausgehend von einem optischen System für Endoskope mit einem schräg nach vorn gerichteten Sichtfeld, bei dem ein die Richtung der von einem zu beobachtenden Objekt einfallenden Strahlen in die Längsrichtung des Endoskops veränderndes Prisma mit einer Eintrittsfläche, einer Reflexionsfläche und einer Austrittsfläche, ferner ein die aus dem Sichtrichtungsänderungsprisma austretenden Objektstrahlen fokussierendes Objektiv und ein optisches Bildübertragungselement mit einer in der vom Objektiv gebildeten Fokuslage des Objekts angeordneten Endfläche hintereinander angeordnet sind, wird erfindungsgemäß zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß die Eintrittsfläche des Sichtrichtungsänderungsprismas eine vom zu beobachtenden Objekt einfallende Strahlen brechende Fläche ist und daß die Eintrittsfläche, die Reflexionsfläche und die Austrittsfläche so zueinander angeordnet sind, daß die durch die Eintritts fläche einfallenden Strahlen von der Reflexionsfläche auf die Eintrittsfläche reflektiert, von letzterer erneut reflektiert und durch die Austrittsfläche auf das Objektiv geworfen werden.
Vorzugsweise ist vor dem Sichtrichtungsänderungsprisma ein Korrekturprisma zur Randschärfenkorrektur angeordnet.
In der Zeichnung zeigen: Fig. 1A und 1B Schnittansichten bekannter optischer Systeme mit schräg nach vorn gerichtetem Sichtfeld zum Einbau in distale Enden von Endoskopen; und Fig. 2 und 3 Schnittansichten auf zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen optischen Systems mit schräg nach vorn gerichtetem Sichtfeld.
Das distale Ende eines Endoskops o.dgl. ist in Fig. 2 mit 1 bezeichnet. Ein Objektiv 2 fokussiert das Bild eines zu beobachtenden Objekts auf eine Endfläche eines Bildübertragungselements, z.B. einer bekannten Faseroptik. Vor dem Objektiv 2 sind ein Korrekturprisma 3 und ein Sicht- bzw. Beobachtungsrichtungsänderungsprisma 4 angeordnet. Das Korrekturprisma 3 und das Sichtrichtungsändenngsprisma 4 haben die in Fig. 2 dargestellte Form und sind so angeordnet, daß sie die weiter unten angegebene Gleichung erfüllen, wobei die Ausdrücke n1 und n2 jeweils Brechungsindices der entsprechenden Prismen, das Zeichen « den Neigungswinkel einer Eintrittsfläche 3a des Korrekturprismas 3 in Bezug auf die Vorwärts-Blickrichtung, die Ausdrücke ffi und Y die Neigungswinkel der Oberflächen 4a und 4b des Sichtrichtungsänderungsprismas 4 in Bezug auf die Vorwärtsrichtung und der Ausdruck a F einen Winkel zwischen der Oberfläche 3b des Korrekturprismas 3 und der Oberfläche 4a des Sichtrichtungsänderungsprismas 4 darstellen: wobei @ e = 900 - 3ß + Die Oberfläche 4a des Sichtrichtungsänderungsprismas 4 ist angenähert unter einem Winkel von ß + aß in Bezug auf die optische Achse der die Oberfläche 4c des Prismas 4 durchdringenden Strahlen angeordnet.
Das beschriebene optische System ist in der zuvor angegebenen Weise derart angeordnet, daß die Beobachtungs-bzw. Sichtrichtung von dem Prisma 4 geändert und die in das Prisma 4 einfallenden Strahlen gebrochen werden, damit der Außendurchmesser klein gemacht werden kann.
Wenn die Strahlen jedoch in der beschriebenen Weise gebrochen werden, wird Astigmatismus hervorgerufen, und die Bildqualität nimmt beträchtlich ab. Insbesondere dann, wenn das optische System als Ultraweitwinkelobjektiv des Retrofokustyps verwendet wird, wobei entsprechend dem später beschriebenen Ausführungsbeispiel eine konvexe Linse frontseitig angeordnet wird, wird ein besonders starker Astigmatismus hervorgerufen, der die Bildqualität außerordentlich stark beeinflußt. Infolgedessen wird es praktisch unmöglich, das optische System zu benutzen. Das Korrekturprisma 3 wird in erster Linie zum Zwecke der Korrektur dieses Astigmatismus verwendet.
Insbesondere die Oberfläche 3b des Korrekturprismas 3 dient der Korrektur des von der brechenden Oberfläche 4a des Sichtrichtungsänderungsprismas 4 hervorgerufenen Astig-matismus. Die Anordnung ist daher so getroffen, daß die Brechungsvermögen der beiden brechenden Oberflächen, d.h. der Oberfläche 3b des Korrekturprisma 3 und der Oberfläche 4a des Sichtrichtungsänderungsprismas 4 einander gleich oder angenähert gleich sind.
Vorzugsweise fallen der Schnittpunkt der Oberfläche 3a des Korrekturprismas 3 und der optischen Strahlen trittsachse mit dem Schnittpunkt der Oberfläche 4a des Korrekturprismas 4 und der optischen Achse des Objektivs 2 angenähert zusammen. Dies beeinflußt die Randschärfenkorrektur günstig und macht darüber hinaus das optische System als Ganzes kompakt.
Darüber hinaus stehen die Oberfläche 3a des Korrekturprismas 3 und die Oberfläche 4c des Sichtrichtungsänderungsprismas 4 rechtwinklig oder angenähert rechtwinklig zur optischen Achse der Strahlen, wodurch Astiçmatismus und eine Änderung des-Feldwinkels in den Fällen verhindert wird, daß das distale Ende des Endoskops in Luft und in Wasser verwendet wird.
Aus den zuvor genannten Gründen werden die Brechungsindices und die Formen des Korrekturprismas 3 und des Sichtrichtungsänderungsprismas so gewählt, daß der Winkel äß zwischen der Oberfläche 3b des Korrekturprismas 3 und der Oberfläche 4a des Sichtrichtungsänderungsprismas 4 die folgende Gleichung erfüllt: Das beschriebene optische System ist so angeordnet, daß Strahlen von dem im Sichtfeld liegenden, zu beobachtenden Objekt in das Korrekturprisma 3 in der Richtung rechtwinklig zur Oberfläche 3a des Prismas 3 eintreten und die Oberfläche 4a des Sichtrichtungsänderungsprismas 4 als Reflexionsfläche sowie als brechende Fläche verwendet wird. Die von der Reflexionsfläche 4b auf die Oberfläche 4a reflektierten Strahlen werden daher von letzterer erneut reflektiert und treten durch die Oberfläche 4c in der Richtung etwa rechtwinklig zur Oberfläche 4c aus. Der für die erneute Reflexion der Strahlen vorgesehene Bereich der Oberfläche 4a muß also in Art eines Reflexionsspiegels angeordnet sein, wobei der Eintrittsbereich der Strahlen in das Prisma 4 ausgeschlossen ist. Als Alternative kann das Prisma 4 so aufgebaut sein, daß die von der Oberfläche 4b reflektierten Strahlen axjder Oberfläche 4a total reflektiert werden.
Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des beschriebenen optischen Systems, das als Weitwinkel-Linsensystem mit einer dem Korrekturprisma 3 der Ausführungsform gemäß Fig. 2 vorgestellten konkaven Linse 5 angeordnet ist. Im übrigen entspricht das zweite Ausführungsbeispiel demjenigen gemäß Fig. 2, so daß eine eingehendere Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels hier entfallen kann.
Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Abstand zwischen dem Sichtrichtungsänderungsprisma 4 und dem Korrekturprisma 3, d.h. der Abstand zwischen den Oberflächen 3b und 4a, so klein als möglich, damit der Astígmatismus soweit als möglich herabgesetzt wird.
Wenn dieser Abstand größer als die Summe der Durchgangslängen der Strahlen in den Prismen 3 und 4 wird, ergibt sich ein beträchtlicher Astigmatismus, und es wird unmöglich, den Außendurchmesser des distalen Endes ausreichend klein zu machen. In der Praxis kann die Oberfläche 4a als total reflektierende Oberfläche benutzt werden, selbst wenn dieser Abstand angenähert gleich der Strahlenwellenlänge ist. Wenn dieser Abstand klein gemacht wird, ist es möglich, den Astigmatismus vollständig zu eliminieren.
Wenn der zur weiteren Strahlenreflexion erforderliche Teil der Oberfläche 4a des Prismas 4 als Reflexionsspiegel angeordnet und ausgebildet ist, kann der Raum zwischen der Oberfläche 4a und der Oberfläche 3b des Prismas 3 mit einem transparenten Zement o.dgl. ausgefüllt werden. In diesem Falle wird überhaupt kein Astigmatismus hervorgerufen.

Claims

Anspruch e

Optisches System für Endoskope mit schräg nach vorn gerichtetem Sichtfeld, bei dem ein die Richtung der von einem zu beobachtenden Objekt einfallenden Strahlen in die Längsrichtung des Endoskops veränderndes Prisma mit einer Eintrittsfläche, einer Reflexionsfläche und einer Austrittsfläche, ferner ein die aus dem Sichtrichtungsänderungsprisma austretenden Objektstrahlen fokussierendes Objektiv und ein optisches Bildübertragungselement mit einer in der vom Objektiv gebildeten Fokuslage des Objekts angeordneten Endfläche hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche (4a) des Sichtrichtungsänderungsprismas (4) eine vom zu beobachtenden Objekt einfallende. Strahlen brechende Fläche ist und daß die Eintrittsfläche (4a), die Reflexionsfläche (4b) und die Austrittsfläche (4c) so zueinander angeordnet sind, daß die durch die Eintrittsfläche fallenden Strahlen von der Reflexionsfläche auf die Eintrittsfläche reflektiert, von letzterer erneut reflektiert und durch die Austrittsfläche auf das Objektiv (2) geworfen werden.
2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Sichtrichtungsänderungsprisma (4) ein Korrekturprisma (3) angeordnet ist, dessen Eintrittsfläche (3a) so angeordnet ist, daß Strahlen vom Objekt in das Korrekturprisma rechtwinklig zur Eintrittsfläche des Korrekturprisms eindringen, und daß die Austrittsfläche (3b) des Korrekturprismas als strahlenbrechende Fläche ausgebildet ist.
3. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel Aß zwischen der Austrittsfläche (3b) des Korrekturprismas (3) und der Eintrittsfläche (4a) des Sichtrichtungsänderungsprismas (4) entsprechend der folgenden Gleichung ausgelegt ist: = = 900 - 3ß + wobei 4L den Neigungswinkel der Eintrittsfläche (3a) des Korrekturprismas (3) gegenüber der optischen Achse des Objektivs (2?, ß den Neigungswinkel der Eintrittsfläche (4a) des Sichtrichtungsänderungsprismas (4) gegenüber der optischen Achse des Objektivs und n1 und n2 die Brechungsindices des Korrekturprismas und des Sichtrichtungsänderungsprismas darstellen.
4. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittpunkt der Eintrittsfläche (3a) des Korrekturprismas (3) und der Achse der eindringenden Strahlen angenähert mit dem Schnittpunkt der Eintrittsfläche des Korrekturprismas und der optischen Achse des Objektivs (2) zusammenfällt.
5. Optisches System nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsfläche (4c) des Sichtrichtungsänderungsprismas (4) normal zur Achse der aus dem Sichtrichtungsänderungsprisma austretenden Strahlen angeordnet ist.
6. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine denLzu beobachtenden Objekt am nächsten liegende konkave Linse (5) und ein Korrekturprisma (3) aufweist, dessen Eintrittsfläche (3a) so angeordnet ist, daß aus der konkaven Linse austretende Objektstrahlen durch die Eintrittsfläche in das Korrekturprisma (3) eintreten, und daß die Austrittsfläche (3b) des Korrekturprismas eine zum Brechen durch die Eintrittsfläche eingetretenen Strahlen geeignete Anordnung hat.
7. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sichtrichtungsänderungsprisma (4) so angeordnet ist, daß seine Eintrittsfläche (4a) von seiner Reflexionsfläche (4b) reflektierte Strahlen total reflektiert.
8. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche (4a) des Sichtrichtungsänderungsprismas (4) an die Austrittsfläche (3b) des Korrekturprismas (3) anzementiert ist.