WO2020007607A1 - Optisches system und stereo-videoendoskop - Google Patents

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WO2020007607A1
WO2020007607A1 PCT/EP2019/066137 EP2019066137W WO2020007607A1 WO 2020007607 A1 WO2020007607 A1 WO 2020007607A1 EP 2019066137 W EP2019066137 W EP 2019066137W WO 2020007607 A1 WO2020007607 A1 WO 2020007607A1
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lens
lenses
optical system
optical
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PCT/EP2019/066137
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Jianxin Zhao
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Olympus Winter and Ibe GmbH
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00163—Optical arrangements
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B1/00183—Optical arrangements characterised by the viewing angles for variable viewing angles
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    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00163—Optical arrangements
    • A61B1/00195—Optical arrangements with eyepieces

Definitions

  • the invention relates to an optical system for a stereo video endoscope, which has at least in sections two separate lens system channels for a left and a right channel with one or more pairs of optical elements on mutually parallel optical axes, and a corresponding stereo -Videoendoskop.
  • Stereo video endoscopes are used in medicine in order to provide a treating physician with a spatial representation of the interior of a patient's body.
  • light bundles incident in an optical system of the endoscope are guided in two parallel lens system channels, which image the light bundles on two separate image sensors.
  • images of the observed area are captured from slightly different angles. If these images are viewed in such a way that each eye perceives the image or images of a lens system channel, for example with the help of a shutter lens. le, this creates a spatial impression of the area under consideration. This is called stereoscopy.
  • a corresponding stereo video endoscope is disclosed, for example, in DE 10 2013 215 422 A1.
  • One challenge with stereoscopic endoscopes is to make the stereo base, which is important for the spatial impression, sufficiently large, while the outer diameter of the endoscope shaft is to be kept as small as possible.
  • a difficulty arises from the fact that the optical elements arranged in the lens system channels should have the largest possible cross-sectional area so that a high light throughput and a high image quality are achieved.
  • the optical elements are too large, they will no longer fit side by side in the envelope tube of the endoscope.
  • care must also be taken to ensure that the correct distance between the optical axes is maintained, even with large optical elements.
  • the transverse cut area of the D-cut lenses can be significantly larger than that of unprocessed lenses with a round cross-section.
  • the changed geometry results in an increased use of the cross-sectional area in the cladding tube of the endoscope.
  • the present invention is based on the object of improving the optical properties of stereo video endoscopes with D-cut lenses.
  • an optical system for a stereo video endoscope which has at least sections of two separate lens system channels for a left and a right channel with one or more pairs of optical elements on mutually parallel optical axes, the optical elements of one or more of the pairs of optical elements are each arranged symmetrically to one another about a plane of symmetry between the lens system channels and at least one pair of optical elements arranged symmetrically to one another is designed as a pair of D-cut lenses, which because towards the plane of symmetry have a recessed, in particular flat, boundary surface, which is further developed in that the boundary surfaces of the D-cut lenses of the pair are each inclined with respect to the plane of symmetry.
  • the tion of the boundary surfaces of the D-cut lenses of the pair of D-cut lenses is designed to deflect light rays from areas outside a field of view of the optical system that are reflected at the boundary surfaces in such a way that they do not get into optical image sensors that pass through the lens system channels assigned.
  • Either separate image sensors can be assigned to the left and right channels, or a large image sensor is used which is illuminated in two different areas by the left and right lens system channels.
  • the exact alignment of the boundary surfaces in the optical system depends on the overall configuration of the optical system and requires the observation of rays from inside and outside the direct field of vision, which can hit the boundary surfaces and cannot be blocked by suitably placed diaphragms, as well as their path in the further course from the boundary surfaces to the image sensors.
  • the inclination of the boundary surfaces is then set such that those rays which would lead to disturbing ghost images are deflected and no longer strike the image sensors.
  • D-cut lenses is also understood to mean lens groups with corresponding boundary surfaces, which are combined to form a lens unit, for example using optical cement.
  • normals lie on the boundary surfaces of the D-cut lenses of the D-cut lens pair in the plane that is spanned by the optical axes of the two lens system channels.
  • the normals are straight lines that are perpendicular to the boundary surfaces, in particular those that pass through each Center of the boundary surfaces.
  • the boundary surfaces in the present case are therefore not inclined upwards or downwards, ie around a horizontal axis in the direction of the optical axis, but only around a vertical axis.
  • the normals intersect on the boundary surfaces of the D-cut lenses of the D-cut lens pair on a line in the middle between the two optical axes. This means that the inclination of the two boundary surfaces of the pair of D-cut lenses is mirror-symmetrical to one another.
  • the normals on the boundary surfaces of the D-cut lenses of the pair of D-cut lenses each have an angle of 2 ° to 30 °, in particular 5 ° to 15 °, to a connecting line between the centers of the two D-cut lenses.
  • these angular ranges offer a good balance of suppression of ghost images and small width of the gap required between the pair of D-cut lenses.
  • the boundary surfaces of the D-cut lenses of the pair of D-cut lenses are preferably inclined such that the distance between the boundary surfaces in a direction of incidence of light of the optical system decreases from distal to proximal. As a result, marginal rays strike the boundary surfaces at a flatter angle and are reflected at a flatter angle, so that they no longer strike the image sensors. At the same time it is avoided that the boundary surfaces protrude into the beam path due to their inclination.
  • the boundary surfaces are aligned with one another or have different inclinations.
  • the boundary surfaces of a D-cut lens group have a stepped arrangement.
  • Such a gradation of the inclinations is useful in order to take into account different optical properties of the individual lenses of the lens group and the overall course of the beam paths of the optical system. If the inclination of the boundary surfaces of the rear, ie proximal, lens is less than that of the front, ie distal, lens of the lens group, this has the advantage that there is a sufficient distance between the D-cut lenses of the symmetrically arranged on both sides of the plane of symmetry Pairs can remain, and at the same time the light-collecting surface of the lens remains large.
  • the boundary surfaces of the D-cut lenses of the pair of D-cut lenses are advantageously treated with little reflection, in particular ground or roughened, and / or coated in a light-absorbing manner. These measures further reduce the amount of light available for disturbing ghost images.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a stereo video endoscope with an optical system according to the invention described above.
  • This stereo video endoscope thus realizes the same features, properties and advantages as the optical system according to the invention described above.
  • Embodiments according to the invention can have individual features or a Combine several characteristics.
  • Fig. 4 shows part of an optical system with D-cut lenses designed according to the invention
  • FIG. 5 shows a beam path of part of an optical system with D-cut lenses designed according to the invention.
  • 1 a) and b) show schematic sectional representations of known D-cut lenses, as are described in the German patent application with the official file number DE 10 2017 123 896.4 of the applicant.
  • 1 a) shows a cross section through the cladding tube 2 of a stereo video endoscope, in which separate lens system channels are provided for a left and a right image channel, each of which has pairs of optical elements, in particular in a completely or largely symmetrical arrangement Lenses.
  • D-cut lenses 20, 30 which are provided with recessed boundary surfaces 22, 32 so that they can be placed closer to one another in the cladding tube 2 than is the case due to the circumferential circles 24, 34 would be possible without the corresponding boundary surfaces 22, 32.
  • the boundary surfaces 22, 32 are realized as flat cuts which are aligned parallel to a plane of symmetry 10 which is arranged in the middle between and in each case perpendicular to the optical axes 4, 6.
  • the plane of symmetry 10 is thus also perpendicular to a connecting line 8 between the optical axes 4, 6.
  • FIG. 1 b) shows the D-cut lens 20 on the one hand in a cross section perpendicular to the optical axis 4 (left representation) and on the other hand in a cross section along the connecting line 8 from FIG. 1 a) (right representation) ,
  • it is a lens group consisting of a biconvex lens 20 and a plane-concave lens 20 ', both of which are designed as a D-cut lens.
  • the boundary surfaces 22 are arranged flat and parallel to the optical axis 4, which means that the optical axis 4 is not arranged centrally in the D-cut lens 20, 20 ′.
  • Figure 2a represents a beam path through an optical system 40 of a stereo video endoscope, which has a section with a has a common lens system 42 and a section 44 with a separate lens channel system, of which only one lens channel system is actually shown for the sake of clarity.
  • the second channel system would be arranged symmetrically to the lower lens channel system above the plane of symmetry, which is designed as a continuation of the optical axis 4 ′ of the optical system 40 in the region of the common lens system 42.
  • the common lens system 42 is composed of an entrance window 50, an entrance lens 52 designed as a negative meniscus, a prism 54 which deflects the rays in the depth plane of the illustration, so that the optical rays are not kinked in the view shown appear, as well as an exit lens 56.
  • the exit lens 56 is followed by an entrance window (without reference number) of the lens channel system shown, and an axially displaceable lens or lens group 46 which, in the case of an endoscope looking sideways, differs in the beam path of the right and the left channel compensates, and three lens groups 19, 20, 21, which are designed as D-cut lenses.
  • the image sensor 60 follows.
  • a beam path 80 is highlighted with a stronger dashed line for the outermost edge of the direct field of view.
  • the central axis of the beam path 84 for the lens channel system 44 is also shown with a stronger dash-dotted line, while the inner limiting beam path 82 is shown with a solid line.
  • an area outside the actual field of view is shown with a beam path 62, which can lead to ghosting, since in the course of the optical system it points to the boundary surface 22 of the D- Cut lens or D-cut lens group 20 hits and from there is reflected back into the beam path, so that it strikes the image sensor 60 as a ghost image. This is shown in a larger figure in FIG. 2b) for the section with the parallel lens channel systems.
  • FIG. 3 shows a ghosting effect 74 in a left channel 70 and a right channel 72 of a stereo video endoscope with an optical system according to FIG. 2.
  • the ghost images appearing approximately in the center are created by reflection at the boundary surfaces
  • FIG. 4 shows a section 144 of an optical system with two parallel lens system channels with D-cut lenses 120 designed according to the invention.
  • the illustration corresponds to that of FIG. 2b) with the difference that the D-cut lenses or D-cut lenses Lens groups 120 are provided with inclined boundary surfaces 122.
  • the inclination in the two lens channel systems for the right and left channels is mirror-symmetrical and opposite, so that there is an opening angle 123 in the direction of the distal end (pointing to the left), which is twice the angle of inclination of the boundary surfaces 122 of each individual D-cut lens 120.
  • the two lenses of the lens group, which form the D-cut lens 20 have somewhat different angles of inclination and that there is a step at their transition.
  • this step-by-step configuration helps to ensure that the lens group can be positioned well at corresponding stops on the holder, and allows the different optical properties of the two lenses of the lens group 120 to be taken into account proximal lens of the lenticular Group 120 set lower than that of the distal lens of the lens group 120, which saves space to the plane of symmetry.
  • the axially displaceable lenses 46 or lens groups of the two lens system channels are arranged at the beginning of the assembly at different axial positions. This compensates for a difference in the beam path in the case of an endoscope looking sideways, the direction of which is at an angle to the plane of symmetry (into the plane of the figure).
  • FIG. 5 shows a beam path of part of an optical system 140 with a section 144 with D-cut lenses 120 designed according to the invention, essentially in the optical configuration shown in FIG. 4.
  • the limiting beam paths 80, 82 and the central beam path 84 of the direct field of view are also shown.
  • the boundary surfaces 122 of the D-cut lenses 120 can be machined with low reflection, for example by means of a light-absorbing coating on a boundary surface processed by roughening or smooth grinding, in order to further suppress the occurrence of disturbing ghost images.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System (140) für ein Stereo-Videoendoskop, welches wenigstens abschnittsweise zwei getrennte Linsensystemkanäle für einen linken (70) und einen rechten Kanal (72) mit einem oder mehreren Paaren von optischen Elementen (19, 21, 120) auf zueinander parallelen optischen Achsen (4, 6) aufweist, wobei die optischen Elemente (19, 21, 120) eines oder mehrerer der Paare von optischen Elementen (19, 21, 120) jeweils zueinander symmetrisch um eine Symmetrieebene (10) zwischen den Linsensystemkanälen angeordnet sind und wenigstens ein Paar von symmetrisch zueinander angeordneten optischen Elementen (19, 21, 120) als Paar von D-Cut-Linsen (120) ausgebildet ist, welche jeweils zur Symmetrieebene hin eine zurückversetzte, insbesondere ebene, Begrenzungsfläche (122) aufweisen, sowie ein entsprechendes Stereo-Videoendoskop. Erfindungsgemäß sind Begrenzungsflächen (122) der D-Cut-Linsen (120) des Paares jeweils gegenüber der Symmetrieebene (10) geneigt.

Description

Optisches System und Stereo-Videoendoskop
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein optisches System für ein Stereo- Videoendoskop, welches wenigstens abschnittsweise zwei getrenn- te Linsensystemkanäle für einen linken und einen rechten Kanal mit einem oder mehreren Paaren von optischen Elementen auf zuei- nander parallelen optischen Achsen aufweist, sowie ein entspre- chendes Stereo-Videoendoskop.
In der Medizin werden Stereo-Videoendoskope eingesetzt, um ei- nem behandelnden Arzt eine räumliche Darstellung des Körperinne- ren eines Patienten zu verschaffen. Dazu werden in ein optisches System des Endoskops einfallende Lichtbündel in zwei parallel ver- laufenden und ausgebildeten Linsensystemkanälen geführt, welche die Lichtbündel auf zwei getrennte Bildsensoren abbilden. Auf diese Weise werden Bilder des betrachteten Bereichs unter leicht unter- schiedlichen Blickwinkeln erfasst. Werden diese Bilder so betrach- tet, dass jedes Auge jeweils das Bild oder die Bilder eines Linsen- systemkanals wahrnimmt, beispielsweise mit Hilfe einer Shutterbril- le, so entsteht ein räumlicher Eindruck des betrachteten Bereichs. Dies wird als Stereoskopie bezeichnet. Ein entsprechendes Stereo- Videoendoskop ist beispielsweise in DE 10 2013 215 422 A1 offen- bart.
Bei stereoskopischen Endoskopen besteht eine Herausforderung darin, die für den räumlichen Eindruck wichtige Stereobasis ausrei- chend groß zu gestalten, während der Außendurchmesser des En- doskopschafts möglichst klein zu halten ist. Eine Schwierigkeit ergibt sich dadurch, dass die in den Linsensystemkanälen angeord- neten optischen Elemente eine möglichst große Querschnittsfläche aufweisen sollen, damit ein hoher Lichtdurchsatz und eine hohe Bildqualität erzielt wird. Sind allerdings die optischen Elemente zu groß, passen sie nicht mehr nebeneinander in das Hüllrohr des En- doskops. Zudem muss weiterhin darauf geachtet werden, dass auch bei großen optischen Elementen der richtige Abstand der optischen Achsen eingehalten wird.
Eine Lösung für dieses Optimierungsproblem ist in der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 10 2017 123 896.4 der Anmelderin beschrieben. Ein Kompromiss aus möglichst großer aktiver Fläche der optischen Elemente der Linsensystemka- näle und einem möglichst kleinen Durchmesser des Hüllrohrs wird dadurch gefunden, dass die optischen Elemente, in diesem Fall kreisrunde Linsen, jeweils an einer Seite beschnitten oder abge- schliffen werden, so dass eine Begrenzungsfläche entsteht, die der Linse im Wesentlichen die Form des Buchstabens„D“ verleiht. Sol- chermaßen bearbeitete Linsen werden auch als„D-Cut“-Linsen be- zeichnet. Diese Begrenzungsflächen ermöglichen es, dass die D- Cut-Linsen näher aneinander angeordnet werden können, als es bei unbearbeiteten Linsen der Fall wäre. Umgekehrt bedeutet es, dass bei gleichem Abstand der optischen Achsen zueinander die Quer- schnittsfläche der D-Cut-Linsen deutlich größer sein kann als dieje nige von unbearbeiteten Linsen mit rundem Querschnitt. Durch die veränderte Geometrie ergibt sich eine erhöhte Nutzung der Quer- schnittsfläche im Hüllrohr des Endoskops.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu- grunde, die optischen Eigenschaften von Stereo-Videoendoskopen mit D-Cut-Linsen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein optisches System für ein Ste- reo-Videoendoskop, welches wenigstens abschnittsweise zwei ge- trennte Linsensystemkanäle für einen linken und einen rechten Ka- nal mit einem oder mehreren Paaren von optischen Elementen auf zueinander parallelen optischen Achsen aufweist, wobei die opti schen Elemente eines oder mehrerer der Paare von optischen Ele- menten jeweils zueinander symmetrisch um eine Symmetrieebene zwischen den Linsensystemkanälen angeordnet sind und wenigs- tens ein Paar von symmetrisch zueinander angeordneten optischen Elementen als Paar von D-Cut-Linsen ausgebildet ist, welche je- weils zur Symmetrieebene hin eine zurückversetzte, insbesondere ebene, Begrenzungsfläche aufweisen, welches dadurch weitergebil- det ist, dass die Begrenzungsflächen der D-Cut-Linsen des Paares jeweils gegenüber der Symmetrieebene geneigt sind.
Bei den in DE 10 2017 123 896.4 der Anmelderin beschriebenen Stereo-Videoendoskopen hat es sich herausgestellt, dass bei An- wesenheit stärkerer Lichtquellen außerhalb des direkten Sichtfeldes des Stereo-Videoendoskops störende Geisterbilder entstehen kön- nen, die durch Reflexion an den Begrenzungsflächen in den Sen- sorbereich der Bildsensoren gelangen. In einigen Konfigurationen war es dann nicht möglich, dies durch geeignete Blenden im Strah- lengang zu unterdrücken. In Ausführungsformen ist dazu die Nei- gung der Begrenzungsflächen der D-Cut-Linsen des D-Cut- Linsenpaares ausgebildet, Lichtstrahlen von Bereichen außerhalb eines Blickfeldes des optischen Systems, die an den Begrenzungs- flächen reflektiert werden, so abzulenken, dass sie nicht in optische Bildsensoren gelangen, die den Linsensystemkanälen zugeordnet sind. Dabei können den linken und rechten Kanälen entweder ge- trennte Bildsensoren zugeordnet sein, oder es wird ein großer Bildsensor verwendet, der in zwei verschiedenen Bereichen vom linken bzw. rechten Linsensystemkanal beleuchtet wird.
Die genaue Ausrichtung der Begrenzungsflächen im optischen Sys- tem hängt von der Gesamtkonfiguration des optischen Systems ab und erfordert die Betrachtung von Strahlen von innerhalb und au- ßerhalb des direkten Sichtfeldes, die auf die Begrenzungsflächen treffen können und nicht durch geeignet platzierte Blenden blockiert werden können, sowie deren Weg im weiteren Verlauf von den Be- grenzungsflächen zu den Bildsensoren. Die Neigung der Begren- zungsflächen wird dann so eingestellt, dass diejenigen Strahlen, die zu störenden Geisterbildern führen würden, abgelenkt werden und nicht mehr auf die Bildsensoren treffen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff der D-Cut-Linsen auch Linsengruppe mit entsprechenden Begren- zungsflächen verstanden, die zu jeweils einer Linseneinheit zu- sammengefasst sind, beispielsweise unter Verwendung von opti- schem Kitt.
In Ausführungsformen liegen Normalen auf die Begrenzungsflächen der D-Cut-Linsen des D-Cut-Linsenpaares in der Ebene, die durch die optischen Achsen der beiden Linsensystemkanäle aufgespannt wird. Die Normalen sind Geraden, die auf die Begrenzungsflächen senkrecht stehen, insbesondere diejenigen, die durch das jeweilige Zentrum der Begrenzungsflächen verlaufen. In einem Bezugssys- tem, in dem die beiden Linsenkanalsysteme als rechts und links de- finiert sind, sind die Begrenzungsflächen im vorliegenden Fall somit nicht nach oben oder unten, also um eine horizontale Achse in Rich- tung der optischen Achse, geneigt, sondern nur um eine vertikale Achse.
In Ausführungsformen kreuzen sich die Normalen auf die Begren- zungsflächen der D-Cut-Linsen des D-Cut-Linsenpaares auf einer Linie in der Mitte zwischen den beiden optischen Achsen. Dies be- deutet, dass die Neigung der beiden Begrenzungsflächen des Paa- res von D-Cut-Linsen zueinander spiegelsymmetrisch ist.
In Ausführungsformen haben die Normalen auf die Begrenzungsflä- chen der D-Cut-Linsen des D-Cut-Linsenpaares jeweils einen Win- kel von 2° bis 30°, insbesondere von 5° bis 15°, zu einer Verbin- dungslinie zwischen den Zentren der beiden D-Cut-Linsen. Diese Winkelbereiche bieten, abhängig von der Gesamtkonfiguration des optischen Systems, eine gute Balance aus Unterdrückung von Geis- terbildern und geringer Breite des zwischen dem Paar von D-Cut- Linsen notwendigen Spaltes.
Vorzugsweise sind die Begrenzungsflächen der D-Cut-Linsen des D-Cut-Linsenpaares so geneigt, dass sich der Abstand zwischen den Begrenzungsflächen in einer Lichteinfallsrichtung des optischen Systems von distal nach proximal verringert. Hierdurch treffen Randstrahlen unter einem flacheren Winkel auf die Begrenzungsflä- chen auf und werden unter einem flacheren Winkel reflektiert, so dass sie nicht mehr auf die Bildsensoren treffen. Gleichzeitig wird vermieden, dass die Begrenzungsflächen aufgrund ihrer Neigung in den Strahlengang hineinragen. In Ausführungsformen fluchten bei D-Cut-Linsengruppen aus mehre- ren verschiedenen miteinander verbunden D-Cut-Linsen die Be- grenzungsflächen miteinander oder weisen unterschiedliche Nei- gungen auf. In einer weiteren Ausführungsform weisen die Begren- zungsflächen einer D-Cut-Linsengruppe eine gestufte Anordnung auf. Eine solche Abstufung der Neigungen ist nützlich, um verschie- dene optische Eigenschaften der einzelnen Linsen der Linsengrup- pe zu berücksichtigen sowie des Gesamtverlaufs der Strahlengänge des optischen Systems. Wenn die Neigung der Begrenzungsflächen der hinteren, also proximalen, Linse geringer ist als diejenige der vorderen, also distalen, Linse der Linsengruppe, hat dies den Vor- teil, dass ein ausreichender Abstand zwischen den D-Cut-Linsen des symmetrisch beidseits der Symmetrieebene angeordneten Paa- res verbleiben kann, und gleichzeitig die lichtsammelnde Fläche der Linse groß bleibt.
Die Begrenzungsflächen der D-Cut-Linsen des D-Cut-Linsenpaares sind vorteilhafterweise reflexionsarm behandelt, insbesondere glatt- geschliffen oder angeraut, und/oder lichtabsorbierend beschichtet. Durch diese Maßnahmen wird die Menge des für störende Geister- bilder vorhandenen Lichts weiter vermindert.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Stereo-Videoendoskop mit einem zuvor beschriebenen erfindungs- gemäßen optischen System gelöst. Dieses Stereo-Videoendoskop verwirklicht damit die gleichen Merkmale, Eigenschaften und Vortei- le wie das zuvor beschriebene erfindungsgemäße optische System.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung er- findungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprü- chen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsge- mäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemei- nen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelhei- ten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
Fig. 1 a), b) schematische Schnittdarstellungen von bekannten D- Cut-Linsen,
Fig. 2a), b) schematische Darstellung des Strahlengangs eines bekannten Stereo-Videoendoskops mit D-Cut-Linsen,
Fig. 3 einen Geisterbild-Effekt,
Fig. 4 einen Teil eines optischen System mit erfindungsge mäß ausgebildeten D-Cut-Linsen und
Fig. 5 einen Strahlengang eines Teils eines optischen Sys- tems mit erfindungsgemäß ausgebildeten D-Cut- Linsen.
In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
Fig. 1 a) und b) zeigen schematische Schnittdarstellungen von be- kannten D-Cut-Linsen, wie sie in der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 10 2017 123 896.4 der Anmel- derin beschrieben sind. In Fig. 1 a) ist ein Querschnitt durch das Hüllrohr 2 eines Stereo- Videoendoskops gezeigt, in welchem für einen linken und einen rechten Bildkanal jeweils eigene Linsensystemkanäle vorgesehen sind, die jeweils in vollständig oder größtenteils symmetrischer An- Ordnung Paare von optischen Elementen, insbesondere Linsen, aufweisen. In dem gezeigten Fall handelt es sich um D-Cut-Linsen 20, 30, die mit zurückgesetzten Begrenzungsflächen 22, 32 verse- hen sind, so dass sie im Hüllrohr 2 näher aneinander platziert wer- den können, als dies aufgrund der Umfangskreise 24, 34 ohne die entsprechenden Begrenzungsflächen 22, 32 möglich wäre. Dies er- laubt es, bei gleichzeitig verhältnismäßig großer Lichtsammelfläche einen gewünschten Abstand der optischen Achsen 4, 6 des linken und des rechten Bildkanals bzw. der linken und rechten Linsenka- nalsysteme einzustellen. Die Begrenzungsflächen 22, 32 sind als ebene Schnitte realisiert, die parallel zu einer Symmetrieebene 10 ausgerichtet sind, welche in der Mitte zwischen und jeweils senk- recht zu den optischen Achsen 4, 6 angeordnet ist. Die Symmetrie- ebene 10 steht damit auch senkrecht auf einer Verbindungslinie 8 zwischen den optischen Achsen 4, 6.
In der Fig. 1 b) ist die D-Cut-Linse 20 einerseits in einem Querschnitt senkrecht zur optischen Achse 4 (linke Darstellung) und anderer- seits in einem Querschnitt entlang der Verbindungslinie 8 aus Fig. 1 a) (rechte Darstellung) gezeigt. Es handelt sich in diesem Fall um eine Linsengruppe aus einer bikonvexen Linse 20 und einer plan- konkaven Linse 20‘, die beide als D-Cut-Linse ausgebildet sind. Die Begrenzungsflächen 22 sind in beiden Fällen eben und parallel zur optischen Achse 4 angeordnet, was bewirkt, dass die optische Ach- se 4 nicht zentral in der D-Cut-Linse 20, 20‘ angeordnet ist.
Figur 2a) stellt einen Strahlengang durch ein optisches System 40 eines Stereo-Videoendoskop dar, welcher einen Abschnitt mit einem gemeinsamen Linsensystem 42 sowie einen Abschnitt 44 mit ge- trennten Linsenkanalsystem aufweist, von denen der Übersichtlich- keit halber nur ein Linsenkanalsystem tatsächlich dargestellt ist. Das zweite Kanalsystem wäre symmetrisch zu dem unteren Lin- senkanalsystem oberhalb der Symmetrieebene angeordnet, welche sich als Fortsetzung der optischen Achse 4‘ des optischen Systems 40 im Bereich des gemeinsamen Linsensystems 42 gestaltet.
Das gemeinsame Linsensystem 42 setzt sich in dem Ausführungs- beispiel zusammen aus einem Eintrittsfenster 50, einer als negativer Meniskus ausgebildeten Eintrittslinse 52, einem Prisma 54, welches die Strahlen in der Tiefenebene der Darstellung umgelenkt, so dass die optischen Strahlen in der gezeigten Ansicht nicht geknickt er- scheinen, sowie einer Austrittslinse 56. An die Austrittslinse 56 schließt sich ein Eintrittsfenster (ohne Bezugszeichen) des gezeig- ten Linsenkanalsystems an, sowie eine axial verschiebbare Linse bzw. Linsengruppe 46, welche bei einem seitwärts blickenden En- doskop Unterschiede in dem Strahlengang des rechten und des lin ken Kanals ausgleicht, sowie drei Linsengruppen 19, 20, 21 , welche als D-Cut-Linsen ausgebildet sind. Es schließt sich der Bildsensor 60 an.
Ebenfalls dargestellt sind mehrere mögliche Strahlengänge, wobei der Begrenzungsstrahlengang 80 für den äußersten Rand des direk- ten Blickfelds mit einer stärkeren gestrichpunkteten Linie hervorge- hoben ist. Ebenfalls mit einer stärkeren gestrichpunkteten Linie ist die zentrale Achse des Strahlengangs 84 für das Linsenkanalsystem 44 dargestellt, während der innere begrenzende Strahlengang 82 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist. Ferner ist ein Be- reich außerhalb des eigentlichen Blickfeldes mit einem Strahlen- gang 62 dargestellt, welcher zu Geisterbildern führen kann, da er im Verlauf des optischen Systems auf die Begrenzungsfläche 22 der D- Cut-Linse bzw. D-Cut-Linsengruppe 20 trifft und von dort wieder in den Strahlengang hinein reflektiert wird, so dass er als Geisterbild auf den Bildsensor 60 trifft. Dies ist in größerer Abbildung in Fig. 2b) für den Abschnitt mit den parallelen Linsenkanalsystemen darge- stellt.
Fig. 3 stellt einen Geisterbild-Effekt 74 in einem linken Kanal 70 und einem rechten Kanal 72 eines Stereo-Videoendoskops mit einem optischen System gemäß Figur 2 dar. Die etwa mittig erscheinenden Geisterbilder entstehen durch Reflexion an den Begrenzungsflächen
22 der D-Cut-Linsen 20.
Fig. 4 zeigt einen Abschnitt 144 eines optischen Systems mit zwei parallelen Linsensystemkanälen mit erfindungsgemäß ausgebildeten D-Cut-Linsen 120. Die Darstellung entspricht derjenigen der Fig. 2b) mit dem Unterschied, dass die D-Cut-Linsen bzw. D-Cut- Linsengruppen 120 mit geneigten Begrenzungsflächen 122 verse- hen sind. Die Neigung ist in diesem Fall in den beiden Linsenkanal- systemen für den rechten und linken Kanal spiegelsymmetrisch und entgegengesetzt, so dass sich in Richtung auf das distale Ende (nach links weisend dargestellt) ein Öffnungswinkel 123 ergibt, der den doppelten Betrag des Neigungswinkels der Begrenzungsflächen 122 jeder einzelnen D-Cut-Linse 120 hat. Ebenfalls sichtbar ist, dass die beiden Linsen der Linsengruppe, die die D-Cut-Linse 20 bilden, etwas verschiedene Neigungswinkel auf- weisen und an ihrem Übergang eine Stufe vorhanden ist. Diese stu- fenweise Ausgestaltung trägt einerseits dazu bei, dass die Linsen- gruppe gut an entsprechenden Anschläge der Halterung positionier- bar ist, und erlaubt die Berücksichtigung der unterschiedlichen opti- schen Eigenschaften der beiden Linsen der Linsengruppe 120. So ist möglich, den Neigungswinkel der proximalen Linse der Linsen- gruppe 120 geringer einzustellen als denjenigen der distalen Linse der Linsengruppe 120, womit Raum zur Symmetrieebene eingespart wird.
Schließlich ist in dieser Ansicht deutlich, dass die axial verschiebba- ren Linsen 46 bzw. Linsengruppen der beiden Linsensystemkanäle eingangs der Baugruppe an verschiedenen axialen Positionen an- geordnet sind. Damit wird ein Unterschied im Strahlengang bei ei- nem seitwärtsblickenden Endoskop ausgeglichen, dessen Bl ickrich- tung unter einem Winkel zu der Symmetrieebene (in die Ebene der Figur hinein) steht.
Anschließend zu Fig. 4 zeigt Fig. 5 einen Strahlengang eines Teils eines optischen Systems 140 mit einem Abschnitt 144 mit erfin- dungsgemäß ausgebildeten D-Cut-Linsen 120, im Wesentlichen in der in Fig. 4 dargestellten optischen Konfiguration. Neben der opti- schen Achse 4‘ des gemeinsamen Systems 42 sind auch die Be- grenzungstrahlengänge 80, 82 und der zentrale Strahlengang 84 des direkten Sichtfeldes dargestellt. Für Strahlen von außerhalb des direkten Sichtfeldes besteht die Gefahr der Reflexion an den Be- grenzungsflächen 122 nicht, da diese mit ihrer Neigung entspre- chend zurückversetzt sind, so dass keine Reflexion zurück zum Strahlengang und auf den Bildsensor 60 vorkommt.
Die Begrenzungsflächen 122 der D-Cut-Linsen 120 können reflexi- onsarm bearbeitet sein, beispielsweise durch eine Licht absorbie- rende Beschichtung auf einer durch Anrauung oder Glattschliff be- arbeiteten Begrenzungsfläche, um das Auftreten von störenden Geisterbildern noch stärker zu unterdrücken.
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu ent- nehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombinati- on als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausfüh- rungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombinati- on mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekenn- zeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
Bezuqszeichenliste
2 Hüllrohr
4, 4‘ optische Achse
6 optische Achse
8 Verbindungslinie
10 Symmetrieebene
19 Linsen
20, 120 D-Cut-Linse
20‘ D-Cut-Linse
21 D-Cut-Linse
22, 122 Begrenzungsfläche
24 Umfangskreis
30 D-Cut-Linse
32 Begrenzungsfläche
34 Umfangskreis
40, 140 optisches System
42 gemeinsames Linsensystem
44, 144 Abschnitt mit getrennten Linsenkanalsystemen
46 axial verschiebbare Linse
50 Eintrittsfenster
52 Eintrittslinse
54 Prisma
56 Austrittslinse
60 Bildsensor
62 Strahlengang für Geisterbild
70 linker Kanal
72 rechter Kanal
74 Geisterbild
80 äußerer Begrenzungsstrahlengang
82 innerer Begrenzungsstrahlengang
84 zentraler Strahlengang
123 Öffnungswinkel

Claims

Optisches System und Stereo-Videoendoskop Patentansprüche 1. Optisches System (140) für ein Stereo-Videoendoskop, wel- ches wenigstens abschnittsweise zwei getrennte Linsensys- temkanäle für einen linken (70) und einen rechten Kanal (72) mit einem oder mehreren Paaren von optischen Elementen (19, 21 , 120) auf zueinander parallelen optischen Achsen (4, 6) aufweist, wobei die optischen Elemente (19, 21 , 120) eines oder mehrerer der Paare von optischen Elementen (19, 21 , 120) jeweils zueinander symmetrisch um eine Symmetrieebene (10) zwischen den Linsensystemkanälen angeordnet sind und wenigstens ein Paar von symmetrisch zueinander angeordne- ten optischen Elementen (19, 21 , 120) als Paar von D-Cut-
Linsen (120) ausgebildet ist, welche jeweils zur Symmetrieebe- ne hin eine zurückversetzte, insbesondere ebene, Begren- zungsfläche (122) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsflächen (122) der D-Cut-Linsen (120) des Paa- res jeweils gegenüber der Symmetrieebene (10) geneigt sind.
2. Optisches System (140) nach Anspruch 1 , dadurch gekenn- zeichnet, dass die Neigung der Begrenzungsflächen (122) der D-Cut-Linsen (120) des D-Cut-Linsenpaares ausgebildet ist, Lichtstrahlen (62) von Bereichen außerhalb eines Blickfeldes des optischen Systems (140), die an den Begrenzungsflächen (122) reflektiert werden, so abzulenken, dass sie nicht in opti- sche Bildsensoren (60) gelangen, die den Linsensystemkanä- len zugeordnet sind.
3. Optisches System (140) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass Normalen auf die Begrenzungsflächen (122) der D-Cut-Linsen (120) des D-Cut-Linsenpaares in der Ebene liegen, die durch die optischen Achsen (4, 6) der beiden Linsensystemkanäle aufgespannt werden.
Optisches System (140) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Normalen auf die Begren- zungsflächen (122) der D-Cut-Linsen (120) des D-Cut-
Linsenpaares sich auf einer Linie in der Mitte zwischen den beiden optischen Achsen (4, 6) kreuzen.
Optisches System (140) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Normalen auf die Begren- zungsflächen (122) der D-Cut-Linsen (120) des D-Cut-
Linsenpaares jeweils einen Winkel von 2° bis 30°, insbesonde- re von 5° bis 15°, zu einer Verbindungslinie zwischen den Zen- tren der beiden D-Cut-Linsen haben.
6. Optisches System (140) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsflächen (122) der D-Cut-Linsen (120) des D-Cut-Linsenpaares so geneigt sind, dass sich der Abstand zwischen den Begrenzungsflächen (122) in einer Lichteinfallsrichtung des optischen Systems (140) von distal nach proximal verringert.
7. Optisches System (140) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei D-Cut-Linsengruppen aus mehreren verschiedenen miteinander verbunden D-Cut-Linsen
(120) die Begrenzungsflächen (122) miteinander fluchten oder unterschiedliche Neigungen aufweisen, insbesondere eine ge- stufte Anordnung bilden.
8. Optisches System (140) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsflächen (122) der D-Cut-Linsen (120) des D-Cut-Linsenpaares reflexionsarm behandelt sind, insbesondere glattgeschliffen oder angeraut, und/oder lichtabsorbierend beschichtet.
9. Stereo-Videoendoskop mit einem optischen System (140) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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