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用于 内窥镜的转像组和内窥镜

阅读：128发布：2021-07-01

专利汇可以提供用于内窥镜的转像组和内窥镜专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及用于内窥镜的转像组(1,2)，该内窥镜包括多个相同类型的转像组(1,2)，所述转像组具有：两个平凸型棒透镜(10,14；20,25)，这两个棒透镜以它们的平端面(1.3,1.7；2.3,2.9)彼此面对；以及消色差透镜(11,21)，该消色差透镜布置在这些棒透镜(10,14；20,25)之间，尤其是布置在所述转像组(1,2)的中心孔径平面(2.6)中。所述消色差透镜(11,21)呈具有不同的折射率和阿贝数的至少两个透镜(12,13；22,23,24)的布置的形式并且与棒透镜(10,14；20,25)间隔地定位。本发明还涉及相应的内窥镜。所要求保护的转像组(1,2)的改进在于所述消色差透镜(11,21)中的一个透镜(12,23)由ED玻璃制成，该透镜具有至少75尤其是至少77的阿贝数。，下面是用于内窥镜的转像组和内窥镜专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于内窥镜的转像组(1,2)，所述内窥镜具有多个相同类型的转像组(1,2)，所述转像组包括：两个平凸型棒透镜(10,14；20,25)，这两个棒透镜以它们的平端面(1.3,1.7；2.3,2.9)彼此面对；以及消色差透镜(11,21)，该消色差透镜布置在所述棒透镜(10,14；20,25)之间，尤其是布置在所述转像组(1,2)的中心孔径平面(2.6)中，其中，所述消色差透镜(11,21)以具有不同的折射率和阿贝数的至少两个透镜(12,13；22,23,24)的布置形式构成，并且与所述棒透镜(10,14；20,25)间隔地定位，其特征在于，所述消色差透镜(11,21)的一个透镜(12,23)由ED玻璃制成，该透镜(12,23)的阿贝数为至少75，尤其是至少77。
2.根据权利要求1所述的转像组(1,2)，其特征在于，所述消色差透镜(11,21)的另一透镜(13)或其它透镜(22,24)具有小于75的阿贝数，其中尤其是所述消色差透镜(11,21)的该另一透镜(13)或其它透镜(22,24)同时具有高的折射率和高的阿贝数，其中尤其是所述折射率大于1.8，所述阿贝数大于45。
3.根据权利要求1或2所述的转像组(1,2)，其特征在于，所述消色差透镜(11,21)以透镜(12,13；22,23,24)的双合透镜(11)或者三合透镜(21)的形式构成，其中，尤其是在所述转像组(1,2)的所述透镜(10-14；20-25)的直径与该转像组(1,2)的长度之比小于
0.05的情况下，所述消色差透镜(11,21)以双合透镜的形式构成，否则以三合透镜的形式构成。
4.根据权利要求3所述的转像组(1,2)，其特征在于，由ED玻璃制成的所述透镜(12)是双凸型结构的。
5.根据权利要求3或4所述的转像组(1,2)，其特征在于，在呈三合透镜的形式的消色差透镜(21)中，该三合透镜的中心透镜(23)由ED玻璃制成。
6.根据权利要求5所述的转像组(1,2)，其特征在于，在呈三合透镜的形式的消色差透镜(21)的情况下，所述转像组(1,2)关于中心平面(2.6)镜像对称地构成，该中心平面穿过该消色差透镜(21)的所述中心透镜(23)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的转像组(1,2)，其特征在于，所述消色差透镜(11,21)的不是由ED玻璃制成的至少一个透镜(13,23)具有小于0.06、尤其小于0.04的Z系数。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的转像组(1,2)，其特征在于，由所述转像组(1,2)的所述消色差透镜(11,21)获得的色差的修正补偿由所述转像组(1,2)的所述透镜(10-14；21-25)所产生的色差，其中该修正也尤其附加地补偿由该内窥镜的物镜和/或目镜所产生的色差的一部分。
9.一种具有多个转像组(1,2)的内窥镜，尤其是腹腔镜或尿检镜，其特征在于，几个相同的转像组(1,2)分别以根据权利要求1至8中任一项所述的转像组(1,2)的形式构成。
10.根据权利要求9所述的内窥镜，其特征在于，至少一个附加的转像组与其它转像组不同地构成，其中该不同构成的转像组是根据权利要求1至8中任一项所述的转像组(1,2)。

说明书全文

用于内窥镜的转像组和内窥镜

[0001] 说明

[0002] 本发明涉及用于内窥镜的转像组，所述内窥镜具有多个相同类型的转像组，所述转像组包括以其平端面彼此面对的两个平凸型棒透镜和布置在这些棒透镜之间尤其是在所述转像组的中央孔径平面内的消色差透镜，其中所述消色差透镜呈具有不同的折射率和阿贝数的至少两个透镜的布置的形式并且与所述棒透镜间隔地定位。本发明也涉及相应的内窥镜。

[0003] 本发明所实现的相应内窥镜涉及包括刚性内窥镜，该内窥镜在其远末端具有带物镜的开口，在开口的，来自工作区的光可穿过所述物镜而进入内窥镜。内窥镜通常也具有靠近棒透镜系统的光导体或光纤，来自内窥镜的近端上的光源的光利用所述光导件或光纤被引向远端以照亮工作区。因为转像组和光纤共享内窥镜中的现有空间，因此须在转像组的透镜直径和对光导体可获得的横截面之间找到折中以获得最大图像亮度。

[0004] 具有若干棒透镜转像组的棒透镜系统将所感知的图像传输至内窥镜的近端，在这里由操作者通过目镜或借助图像传感器来接收该所感知的图像。因为相应的图像在转像组之间的像平面内是颠倒的或者分别旋转180°，因此，通常使用奇数个转像组。使用棒透镜来引导尽量多的光至内窥镜的目镜。

[0005] 具有例如3个、5个或7个转像组(所述转像组继而分别由几个棒透镜和位于这些棒透镜之间的附加透镜构成)的刚性内窥镜因而具有带有气隙或真空间隙的大量界面或者与之相连的具有不同光学性能的透镜。由此可以进行图像误差(所谓的像差)修正。这包括球面像差、彗差、像散、像场曲、失真和颜色误差(所谓的色差)。

[0006] 出现色差是因为光学玻璃的色散，即不同波长的光被偏转不同程度。玻璃的折射率不是常数，而是基于波长的函数。简单地说，色散表示光学材料的折射率的走向的斜度。

[0007] 轴向色差和侧向色差源自不同波长的光的不同光折射程度。轴向色差表示这样的效果，即：在聚焦系统中，相应焦点和透镜系统之间的距离取决于波长。侧向色差表示物体在像平面内的放大的波长相关性。色差可通过使用具有不同材料的透镜来部分地补偿或减轻。因此，对于两个波长的轴向色差可以利用消色差透镜来修正。在复消色差光学系统情况下，轴向色差针对三个波长被修正。但是，未被正确修正的波长的色差由此也被减小。

[0008] 在大多数情况下，本专利申请的申请人的内窥镜中所用的转像组具有两个以其平端面彼此面对的平凸型棒透镜。消色差透镜(即由几个透镜构成的光学子组件，利用该消色差透镜至少部分地补偿色差)布置在棒透镜之间的间隙中。消色差透镜通常由两个或三个具有不同光学性能、尤其是不同的折射率和不同的阿贝数的透镜构成。阿贝数V由下式确定：

[0009]

[0010] 在本申请范围内，基于波长的材料折射率n是材料色散的尺度，在这里，低阿贝数代表高色散，高阿贝数代表低色散。公式(1)所述的标记e、F'和C'代表弗琅荷费线(光源汞，波长546.074nm)、F'(镉，79.9914nm)和C'(镉，643.8469nm)。

[0011] 在高品质光学系统例如用于反光(SLR)照相机的物镜中，由具有很低色散的玻璃制造的透镜被用于修正色差。在不同的境况下，这些玻璃依据其阿贝数和上下关系也被称为“极低色散玻璃”(SLD玻璃)、"特低色散玻璃"(ELD玻璃)、"超低色散玻璃"(ED玻璃)或者"极低色散玻璃"(UL玻璃)。

[0012] 在本发明的情况下，这些玻璃被统称为"ED玻璃"。要在本发明的范围内使用的ED玻璃具有75以上的阿贝数。氟化物玻璃例如具有约为77或80或更大的阿贝数。该极限未被明确地限定；不同的制造商提供具有不同的阿贝数的不同的ED玻璃，阿贝数例如在77至95之间。同时，这样的ED玻璃具有与光学玻璃相比相对低的为约1.4至1.6的折射率。

[0013] 因为ED玻璃是氟化物玻璃和其它特殊玻璃、它们对湿度敏感且与光学玻璃相比在机械性能方面也要脆得多，因此它们很难处理。另外，它们与阿贝数较低的光学玻璃相比在制造和购买方面相对昂贵许多。因此，颜色修正后的光学透镜系统通常只有一个由ED玻璃制成的透镜。

[0014] 在具有棒透镜转像组的内窥镜情况下也需要修正色差。这用以下的消色差透镜完成，该消色差透镜具有由色散相对低的冕玻璃和色散相对高的燧石玻璃制造的光学玻璃的组合。但这些玻璃的阿贝数低于ED玻璃的阿贝数。在申请人的已知内窥镜中，关于中心平面径向对称的三合透镜被用作消色差透镜，在这里，由冕玻璃制造的中心双凹型透镜设计有由燧石玻璃制造的两个双凸型透镜。

[0015] 因为3到7个转像组中的每一组都具有至少四个或五个透镜并且用于物镜和目镜的透镜被添加，因此用于刚性内窥镜的这种光学系统计算和优化起来复杂，因为必须同时设定和优化许多不同的参数。光学系统的单个透镜的材料的例如更换通常导致系统整体光学性能的显著变化，从而需要彻底的再优化。

[0016] US7733584B2描述了一种内窥镜，其配备有一物镜和三个转像组，其中一个转像组配备有平凸型棒透镜，在平凸型棒透镜的凹型界面上分别粘结有一个双凸型ED透镜。其它转像组不包含ED玻璃。利用这对棒透镜/ED玻璃透镜组合来修正整个系统的色差。两个附加转像组不包含ED玻璃透镜并且均被彼此不同因此分别是单独地设计。

[0017] 由于根据US7733584B2只采用三个转像组的事实，因此待考虑的已相当大的界面和材料的数量保持得相对小。这种理念对于具有较多的单独转像组的较长的内窥镜而言达到其极限。

[0018] 鉴于现有技术，本发明的目的是提供转像组以及具有相应的转像组的内窥镜，它们即使在有大量转像组情况下也仅涉及相对低的改进努力，其中色差以及光学系统的其它像差受到限制。

[0019] 该目的通过用于多个相同类型的转像组的内窥镜的转像组来完成，所述转像组包括：两个平凸型棒透镜，这两个棒透镜以它们的平端面彼此面对；以及消色差透镜，该消色差透镜布置在所述棒透镜之间，尤其是布置在所述转像组的中心孔径平面中，其中，所述消色差透镜以具有不同的折射率和阿贝数的至少两个透镜的布置形式构成，并且与所述棒透镜间隔地定位，其特征还在于，所述消色差透镜的一个透镜由ED玻璃制成，该透镜的阿贝数为至少75，尤其是至少77。

[0020] 根据本发明的该转像组基于申请人对转像组的特殊设计，做法是它采用两个对称布置的相似的棒透镜并且将由两个以上的透镜构成的消色差透镜布置在棒透镜之间。该消色差透镜未与棒透镜相连。在这些转像组中，几个相似的转像组被依次相连地用在一个内窥镜中。在此情况下，相似是指玻璃的选择、界面的尺寸和界面的距离(即透镜的厚度与透镜之间的距离)分别是相同的。虽然转像组是相似的，但优化过程中的变量数量保持较少并能针对3个、5个或7个转像组付出相同的优化努力地来计算。

[0021] 根据本发明的转像组的另一优点是可通过在内窥镜中的每个相似的转像组中的消色差透镜中使用ED玻璃而实现很好的色差修正，这是因为色差可在内窥镜中的光学部件的分布走向上的几个位置处被修正，因而不会过度累积。利用根据本发明的转像组，可制造以下内窥镜，该内窥镜实现了与尺寸相同的已知内窥镜相比的到达边缘的显著改善的像清晰度和相当高的对比图像。这使得可以研发出直径较小但在光学方面可与具有较大直径的传统内窥镜相媲美的内窥镜。这些优点胜过了由在内窥镜的整个光学系统中由数量增多的ED玻璃所导致的额外成本。

[0022] 消色差透镜的另一透镜或其它透镜优选地具有小于75的阿贝数，其中，尤其是所述消色差透镜的该另一透镜或其它透镜同时具有高的折射率和高的阿贝数，其中，尤其是所述折射率大于1.8且所述阿贝数大于45。其它透镜的阿贝数被限制为小于75意味着它们是更容易处理且更便宜地买到和制造的玻璃。利用在这些情况下所给出的消色差透镜的该另一透镜或其它透镜的折射率和阿贝数的最大化，可很好地实现色差修正。

[0023] 消色差透镜优选地以双合透镜或者三合透镜的形式构成，其中，尤其是在转像组的透镜的直径与转像组的长度之比小于0.05的情况下，该消色差透镜以双合透镜的形式构成，否则以三合透镜的形式构成。在该过程中，双合透镜或三合透镜的透镜优选地粘结在一起，从而形成双合透镜或三合透镜的透镜的相邻界面具有相同的曲率半径，其中，相应的一个界面呈凸形而相关的另一界面呈凹形。在本发明范围内，粘结是利用透明光学粘合剂或者光学接合剂的粘合。

[0024] 由ED玻璃制成的透镜优选地是双凸形结构的。该消色差透镜中的ED玻璃的这种设计导致了良好的色差修正，尤其与至少一个由光学玻璃制成的弯月形附加透镜相结合。

[0025] 还优选的是，在呈三合透镜形式的消色差透镜中的三合透镜的尤其呈双凸型的中心透镜由ED玻璃制造。此设计因此不同于申请人的转像组的按标准设计的传统消色差三合透镜，在该传统消色差三合透镜中，用于三合透镜的中心透镜以双凹型的方式构成。三合透镜尤其优选地以关于垂直于光轴的中心平面镜像对称地构成，该中心平面在中心穿过三合透镜的中心透镜。利用这种三合透镜设计，尤其是整个转像组都关于该中心平面以镜像对称的方式构成。

[0026] 相对于消色差双合透镜，对称的消色差三合透镜具有以下优点，取决于像高的奇数幂的像差被减至最小。这些像差尤其是颜色放大误差和失真。由于三合透镜中的透镜数量较多，因此成本确实也略微高于双合透镜的成本。在具有小直径的内窥镜的情况下，相应的像差不太重要，从而也可利用呈双合透镜形式的消色差透镜来获得很好的光学结果。

[0027] 对透镜制造重要的一个因素是所谓的Z系数。在本发明范围内，由透镜的厚度和透镜的直径以及两个透镜面的曲率半径按照以下尤其适用于弯月形凸透镜的公式来计算该系数：

[0028]

[0029] 在公式(2)中，Rs是该透镜的所述两个曲率半径中的较小的那个，Rl是两个曲率半径中的较大的那个。Ds表示在具有较小曲率半径的界面的那一侧的透镜的外径，Dl表示在具有较大曲率半径的界面的那一侧的透镜的直径。外径通常是不同的。T是透镜的中心厚度。

[0030] 出人意料发现了，当该消色差透镜中的不是由ED玻璃制成的至少一个透镜优选地具有小于0.06、尤其小于0.04的Z系数时，获得了非常好的光学结果和色差修正。这方便了用于光学元件设计者的研发，因为他能限制该参数。

[0031] Z系数的该选择也导致了，与现有技术相比，相应透镜没有像过去常见的那样在包封期间的制造中自对中，而是从此之后先被包封并随后被复杂地手动对中。光学元件设计者于是直至目前都将Z系数保持在高于0.06的值，以容许常见类型的自对中包封。

[0032] 在根据本发明的转像组的情况下，通过转像组的消色差透镜实现的色差修正优选地补偿由转像组的透镜所产生的色差，其中该修正也尤其附加地补偿由内窥镜的物镜和/或目镜所产生的色差的一部分。物镜和目镜均分别产生色差。在使用根据本发明的几个转像组的情况下，被分派给每个单独转像组中的每个单独消色差透镜的修正可保持相对低，这将消色差透镜和转像组的设计要求保持在可容易控制的限制范围中。

[0033] 本发明所基于的目的还通过一种具有多个转像组的内窥镜来实现，其中该器械尤其是腹腔镜或尿检镜，其进一步的改进在于，几个相似的转像组分别以如上所述的根据本发明的转像组的形式构成。这种内窥镜即使在直径较小的情况下也具有高的对比度和高的清晰度以及很好地修正的(即很小的)色差。

[0034] 有利的是，至少一个附加的转像组相对于其它转像组且尤其是其中相似的转像组不同地构成，其中该不同构成的转像组又是上述的根据本发明的转像组。该至少一个附加的转像组被构造成尤其用于修正由内窥镜的物镜和/或目镜的透镜所造成的色差，从而其中相似的其它转像组的消色差透镜只需要修正各自自身的转像组的色差即可。

[0035] 利用根据本发明的内窥镜和根据本发明的转像组，可以利用相同尺寸的内窥镜设计来获得显著较高的对比度和显著较高的清晰度以及相对显著的色差减轻，这尤其对于具有小直径的内窥镜例如尤其尿检镜来说是一大优点。该趋势因此得到支持，该趋势从直径较大的例如10mm的内窥镜到直径较小的内窥镜如直径为5.4mm或4.0mm的内窥镜发展。

[0036] 从对根据本发明的实施方式的描述以及权利要求书和附图，本发明的其它特征将会变得清楚。根据本发明的实施方式能实现单独特征或多个特征的组合。

[0037] 以下，基于参照附图的示例性实施方式在不限制本发明总体构思的情况下描述本发明，由此关于未以文字来更详细地说明的本发明所有细节的公开，申请人明确参照附图，附图示出了：

[0038] 图1是根据本发明的具有消色差双合透镜的转像组的示意图；

[0039] 图2是根据本发明的具有消色差三合透镜的转像组的示意图；

[0040] 图3是与Z系数定义相关的示例性略图；

[0041] 图4的a和b是球面像差的示例性略图；

[0042] 图5的a和b是轴向色差的示例性略图；

[0043] 图6的a和b是侧向色差的示例性略图；

[0044] 图7的a和b示出包括具有和没有ED玻璃的消色差双合透镜的传统转像组的球面像差、轴向色差和侧向色差的对比；

[0045] 图8的a、b和c示出用于具有不同的ED玻璃Z系数的消色差双合透镜转像组以及用于根据本发明的具有消色差三合透镜的转像组的球面像差、轴向色差和侧向色差的对比；以及

[0046] 图9的a和b示出具有不同的ED玻璃的尺寸相似的转像组的不同像差的对比。

[0047] 在附图中，同类型或相似类型的元件和/或零部件被提供有相同的附图标记，从而省略相应的重复说明。

[0048] 图1示意性示出了根据本发明的用于内窥镜的第一转像组1。典型的内窥镜包含奇数个这样的转像组1，例如3个、5个或7个。转像组1从第一像平面1.1达至第二像平面1.9，另一个尤其是相似的转像组或者目镜或目镜件与第二像平面相连。显示在像平面1.1中的图像被倒置地显示在像平面1.9上。这是倒置，即，相对于中间点即光轴是镜像。这种倒置与绕光轴旋转180度相同。

[0049] 在第一间隙16之后，平凸型棒透镜10连接至第一像平面1.1，该平凸型棒透镜10的凸型界面1.2面向第一像平面1.1，而平界面1.3面向与之分离开间隙16'的消色差透镜11。消色差透镜11由双合透镜构成，该双合透镜由双凸型透镜12制造，制造双凸型透镜的ED玻璃具有高的阿贝数，并且该双凸型透镜具有界面1.4和1.5，由光学玻璃制造的弯月形透镜13与双凸型透镜相连，弯月形透镜的界面1.5和1.6呈凹入的弯月形。透镜12和13在结合界面1.5处被粘结在一起。在附加间隙16”之后，连接有附加的平凸型棒透镜14，该平凸型棒透镜14的平界面1.7面向消色差透镜11，而该平凸型棒透镜14的凸型界面1.8面向与之分离开间隙16”’的第二像平面1.9。

[0050] 根据本发明的透镜的示例性尺寸以及要用于此布置的玻璃的选择如在表1中示出了针对具有4.0mm外径的内窥镜的例子。不与界面的曲率半径混淆的透镜的直径的一半或相应地半径为1.329mm，这还留下用于照亮工作区的光纤的空间。转像组长度是从像平面1.1到像平面1.9的61.801mm的总长。转像组的半径与长度之比约为0.043。

[0051] 本设计中所用的玻璃可以全都从Ohara公司获得。类型包括作为ED玻璃的S-BAL35(折射率为1.591，阿贝数为60.88)、S-FPL51(折射率为1.498，阿贝数为81.14)和作为消色差透镜的附加玻璃的S-LAH55(折射率为1.839，阿贝数为42.47)。其它制造商也提供相应的玻璃。

[0052]区域号曲率半径(mm) 厚度(mm) 折射率n 阿贝数V 半径(mm)
1.1 ∞ 4.397 1.000 空气 1.000
1.2 10.4304 22.209 1.591 60.88 1.329
1.3 ∞ 1.564 1.000 空气 1.329
1.4 11.0593 3.763 1.498 81.14 1.329
1.5 -3.8006 0.767 1.839 42.47 1.329
1.6 -6.3169 2.495 1.000 空气 1.329
1.7 ∞ 22.209 1.591 60.88 1.329
1.8 -10.4304 4.397 1.000 空气 1.329
1.9 ∞ N/A 1.000 空气 1.000

[0053] 表1：转像组内窥镜4.0mm

[0054] 根据用于具有界面1.5和1.6的非ED透镜13的公式(2)的Z系数为约0.04。

[0055] 图2示出了根据本发明的另选的转像组2。该转像组从第一像平面2.1达至第二像平面2.11并且包括彼此间隔开的多个通孔27、27’、27”和27”’以及两个平凸型棒透镜20、25，每个棒透镜都以其凸形界面2.2和2.10面向两个像平面2.1和2.11且其平界面
2.3和2.9彼此面对。呈三合透镜形式且包括三个透镜22、23、24的消色差透镜21位于两个棒透镜20、25之间。

[0056] 消色差透镜21关于中心平面2.6被对称地设计。两个对称的凸凹透镜22、24由光学玻璃构成；中心双凸透镜23由ED玻璃构成。中心对称平面2.6不形成界面。

[0057] 根据图1的消色差透镜11以及根据图2的消色差透镜21都由多个粘合在一起的透镜构成。但是，光学设计改进者还可自由地在消色差透镜的透镜之间提供间隙。

[0058] 图2的消色差透镜21与在申请人的相应转像组的情况下的传统消色差三合透镜的不同之处不仅在于材料选择方面，而且还在于中心透镜是以双凸型方式设计的，而在申请人的相应转像组的情况下的消色差三合透镜的中心透镜目前是双凹型的。因此，根据现有技术的两个附加透镜分别是双凸型的。

[0059] 根据本发明的透镜的示例性尺寸以及要用于根据图2的布置的玻璃的选择如表2中针对外径为5.4mm的腹腔镜例子被示出。透镜的半径为1.277mm，这还是给用于照亮工作区的光纤留下空间。转像组的长度是从像平面2.1至像平面2.11的46.072mm的总长。转像组的半径与长度之比约为0.055。

[0060] 在本设计中所用的玻璃也可全部尤其从Ohara公司获得。类型又包括作为ED玻璃的S-BAL35(折射率为1.591，阿贝数为60.88)、S-FPL51(折射率为1.498，阿贝数为81.14)。消色差透镜的附加玻璃确实是S-LAH59(折射率为1.820，阿贝数为46.37)类型的。

[0061]区域号曲率半径(mm) 厚度(mm) 折射率n 阿贝数V 半径(mm)
2.1 ∞ 3.094 1.000 空气 1.000
2.2 7.9827 16.050 1.591 60.88 1.277
2.3 ∞ 0.820 1.000 空气 1.277
2.4 4.6352 1.899 1.820 46.37 1.277
2.5 2.5914 1.173 1.498 81.14 1.277
2.6 ∞ 1.173 1.498 81.14 1.277
2.7 -2.5914 1.899 1.820 46.37 1.277
2.8 -4.6352 0.820 1.000 空气 1.277
2.9 ∞ 16.050 1.591 60.88 1.277
2.10 -7.9827 3.094 1.000 空气 1.277
2.11 ∞ N/A 1.000 空气 1.000

[0062] 表2:转像组腹腔镜5.4mm

[0063] 图3示出了凸凹型透镜(例如图1的透镜)以及对根据公式(2)的Z系数计算相当重要的尺寸定义。透镜13包括尤其呈球面形的两个光学界面。它们分别具有曲率半径R1和R2。为了根据公式(2)计算Z系数，较大的曲率半径是Rl，较小的曲率半径是Rs。

[0064] 图3中所示的透镜13具有均匀的外径D。但在单独的情况下，外径在透镜的两侧可以不同。因此，对于该公式，直径D1假定用于曲率半径为R1的一侧，外径D2假定用于曲率半径为R2的一侧。关于用以计算Z系数的上述公式(2)，属于曲率半径较小的一侧的直径标为Ds，而外径Dl是涉及曲率半径较大的一侧的直径。另外，透镜13的沿光轴的中心厚度标为T。

[0065] 在以下的图4至图6中，简要地画出和说明色差和其它像差的一些原理。

[0066] 图4的a)示出了源自集光透镜35的光轴上的一点的被孔径36包围的光束。光束37根据孔径高度0前进通过光轴。两个光束37’前进通过集光透镜35的孔径高度0.5，另外两个光束37”前进通过集光透镜35的在孔径高度1处的最外边缘。

[0067] 这种透镜的球面像差如此表示，即：在光轴附近的区域内，在距透镜35有一定距离的情况下相应光束在像点38中被集束。更向外穿过集光透镜35的光束37”(即在较大的孔径高度的情况下)被更强烈地弯曲且在像点38的前方的点中跨过光轴。由此在图4a中假定相应的光束37至37''是单色的且具有同一波长。这些球面像差导致以下事实：物体点没有在集光透镜35的整个表面上在相同的像平面或分别相同的像点38中被显示，从而在包含像点38的平面内的像点变为具有一定尺寸的斑。此效果降低了图像的清晰度并且可例如通过缩小孔径来改善，但这降低了光效率和可获得的分辨率。

[0068] 图4的b)示出了所谓的“色球差”(“SA/CA”是球面像差“SA”和轴向色差“CA”的缩写)，即，像点和近轴像点之间距离的走向取决于孔径高度和光的波长。针对每个单独波长得到球面像差的单独走向。图4的b)中所示的走向不对应于如图4的a)所示的针对单独透镜所示的走向，而是针对示例性的转像组。

[0069] 在图4的b)所示的色球差的X轴上，针对Y轴上所示的参考波长的近轴像点的偏差是根据图4的a所示的孔径高度从0到1的孔径高度。各单独曲线对应于针对不同波长的走向。

[0070] 以下，针对单独波长简单地挑选出单独曲线39，在该曲线39上举例示出了该走向。对于此波长，在孔径高度0处的像点距近轴像点约0.06mm。在孔径高度增大的情况下，该距离减小且反变为大于约0.5的负值，以便又变换至大于约0.9的正值。总体上，球面像差因此针对该波长被相当好地修正。在用于X轴上的正值的右侧的两条长或短的虚线对应于处于蓝色区或红色区的波长，并且具有针对优化波长的相对于近轴像点的相应较大的像点偏差。

[0071] 图5的a)示出了与图4的a)中相似的情况；然而，在这里示出了在全孔径高度和低孔径高度下的多色光束41、42。在穿过集光透镜35之后，各光束41、42因材料的色散而在光谱上扩大。这在高孔径高度处最清晰地发生，在这里，所形成的光束43、43’、43”依次表示红光、绿光和蓝光，其中蓝光被偏转的程度最强。因此，这些不同的波长聚焦在沿光轴的不同位置处。对于在较低孔径高度的情况下穿过集光透镜35的光束42，相应的色散扩展不强。

[0072] 图5的b)示出与图4的b)相同的图形，但在此要注意波长是不同的。因此，图形46至46””是球面像差的图形，也就是说，图形46至46””是视针对不同波长的像高而定的像点和近轴像点之差的图形。相应的波长由此对应于常用的弗琅荷费线。例如可以看出用于蓝光的线46离近轴像点相当远。对于所有波长，在孔径高度的大数值的情况下倾向于观察到相对于近轴像点的正差。

[0073] 图5所示的色差是轴向色差，这是因为这些物体点分别布置在透镜系统的光轴上。

[0074] 图6绘出侧向色差的效果。图6的a)示出了集光透镜35，多色平行光束51倾斜地(即，相对于透镜的光轴在一角度下)入射在该集光透镜上。因为玻璃材料的色散，因此不同的波长继而被偏转至不同的程度，从而针对红、绿、蓝颜色得到不同的光束52、53和54，并因而形成在不同像高的情况下不同的像点或者焦点52’、53’、54’。这意味着与在红色范围相比在蓝色范围内物体看上去更放大(或几乎未减小)。这种效果随着增大的像高被加强并且在轴向入射光束的情况下完全消失。

[0075] 因此，根据像高在图6的b)中绘出侧向色差(“CC”)。粗竖线是从0(即中心)延伸至1(即像平面的边缘)的像高。附图标记56、57和58示出了表示相对于用于中心光束、用于在半像高的情况下的光束和用于在全像高的情况下的光束的基准波长的图示的偏差的图形。在此情况下，在坐标系的-0.01至0.01的X轴上显示出该偏差，在这里，为清楚起见，这些坐标系已被旋转90°。

[0076] 在图6b中是水平的Y轴继而示出了像高。因而可以看出侧向色差在像高为0处的56的情况下消失。对于在标记57的情况下的半像高，与波长相关的侧向色差已显著扩展并且在对于全像高的标记58的情况下更大地增加。

[0077] 图4至图6中所示的色差在用于内窥镜的转像组的改进过程中被减至最小。在这里，在对称的消色差透镜的情况下没有出现图6中所示的像差。其它像差也被同时修正，如球面像差、彗差、像散、像场曲和(如果适用)图像失真和变形。

[0078] 在图7的a)和b)中，在图4至图6中介绍的在使用分别具有设计成根据图1的双合透镜的一个消色差透镜的转像组的情况下针对色球差和侧向色差的图形束被示出并被相互比较。显著差别在于根据图7的a)的消色差透镜中不包含ED玻璃，而图7的b)在消色差透镜的双合透镜中使用ED玻璃。

[0079] 显然，在描述色球差的各自左侧系统中的图形束与在使用ED玻璃的图7的b)的情况下相比强烈许多地集束，并且相对于X轴上的零点的偏移显著缩小。这表示与已知的现有技术相比的色球差显著改善。侧向色差也同时降低至原先可获得值的一小部分。

[0080] 用于在图形中所示的弗琅荷费线的波长的各图例在坐标系下方列出。这些波长以纳米来表示。

[0081] 图7的a)中所示的系统对应于申请人的具有五个传统转像组的4.0mm直径的标准尿检镜。图7的b)中所示的系统基于该已知系统，但在这里使用来自Ohara公司的具有95.0阿贝数的ED玻璃S-FPL53，并且该系统因而被初步优化。

[0082] 在图8的a)至c)中，色球差和侧向色差在被用于三个不同的转像组的情况下被相互比较。

[0083] 图8的a)和b)基于具有包括消色差双合透镜的五个转像组和4.0mm直径的内窥镜。来自Hoya的材料FCD1被分别用作双合透镜中的ED玻璃，该材料的光学性能与来自Ohara公司的S-FPL51相似。在此情况下，非ED玻璃是来自Ohara公司的S-LAM52(折射率为1.720，阿贝数为43.7)。根据图8的a)和b)的系统在非ED玻璃透镜的Z系数方面是不同的，该Z系数在根据图8的a)的系统中为0.06，在根据图8的b)的系统中为0.037。在色球差和侧向色差方面的明显改善源于Z系数的减小。这伴随着在制造相应的非ED玻璃透镜时需要经过调整的包封和对中。

[0084] 图8的c)示出用于具有5.4mm的直径的腹腔镜和具有中心ED玻璃透镜的消色差三合透镜的色球差(SA/CA)和侧向色差(CC)的图形。可利用此系统获得很好的轴向色差修正，这可从色球差图形的线已经针对不同的波长非常接近看出。因此，这是比较小的、几乎与波长无关的球面像差，其在可接受的范围内移动。右侧图形中的侧向色差也很小且仅在超过约0.6的像高的情况下不等于0。根据图8的c)的三合透镜中的ED材料是来自Ohara的S-FPL51。

[0085] 图7和8中所示的图分别用于具有五个转像组和输入光学元件和输出光学元件的系统。

[0086] 以下是对于如图8的a)和b)中所示的光学系统的调制传递函数(分别沿径向/切向规定的值)，该调制传递函数以80线对/mm(lp/mm)为单位规定了光学系统在径向和切向上取决于像高的分辨率，在此，在考虑像场曲时可获得的最佳值规定如下：

[0087]像高 0.0 0.5 0.8 0.9 1.0
图8的a) 57.2/57.2 54.6/50.0 56.1/39.6 57.0/35.2 57.9/28.7
图8的b) 60.0/60.0 57.8/57.7 59.7/56.2 59.1/54.9 58.2/51.9

[0088] 表3:用于具有不同的Z系数的消色差双合透镜的MTF(80lp/mm)

[0089] 在表3中，在Z系数小的情况下对MTF的改进尤其对于边界区内的切向结构是明显的。

[0090] 在图7和8中的对比所依据的用于内窥镜的转像组的设计发生变化的情况下，通常由与新计划的系统相似的现有系统(例如先前的模型)表示起点。新参数因而被改变以用于新系统。例如透镜直径被增大或减小，或者在ED玻璃的情况下，玻璃材料被替代。这造成如图9中所示的图像质量的显著变化。

[0091] 随后进行第一初步优化，借此使一些参数如放大位置和像位置、球面像差、散光等处于可接受范围。因为不同的图像误差的行为大多是背道而驰的，因此尝试找到良好的折中。例如首先尝试减小球面像差。如果随后确定了例如侧向颜色误差由此以不可接受的方式增大，则它在优化函数中被加以更大权重。如果例如轴向色差随即增大，则这继而被加以更大的权重。在这些步骤之间，光学元件设计者始终如此影响优化，即：例如他选择或截住可变参数或人工改变确定值以使该系统在某个方向移动。

[0092] 在封闭过程中，光学元件设计者也人工改变(如果适用)半径或厚度以完成最终改进。

[0093] 在找到最佳折中之前，需要几十至几百个迭代步骤和几个星期的研究工作，这取决于复杂程度、品质要求和可制造性问题。

[0094] 为了说明此任务，图9的a)和b)示出了对比，此时具有消色差双合透镜的尺寸相同的转像组配备有两种不同的ED玻璃，即在图9的a)中为来自Ohara的S-FPL51和在图9的b)中为来自Ohara的S-FPL53。阿贝数由此从81.6变至95.0，折射率从1.495变为
1.437。针对材料S-FPL51，该系统被计算和优化。

[0095] 与包含这个不同材料的相同系统的对比表明了所有图像性能(包括色差、球面像差和其它性能如彗差或像场曲)都因为这一改变而失控。这表明玻璃类型的选择须非常小心地进行且也必然牵涉到转像组的重调。

[0096] 所有上述的包括单独从附图中得到的特征以及结合其它特征被公开的单独特征被单独地或组合地认为是本发明的重点。根据本发明的实施方式可以通过单独特征或多个特征的组合来实现。

[0097] 附图标记列表

[0098] 1、 2 转像组

[0099] 1.1-1.9 转像组1的像区和界区

[0100] 2.1-2.11 转像组2的像区和界区

[0101] 10 平凸型棒透镜

[0102] 11 消色差双合透镜

[0103] 12 由ED玻璃制成的透镜

[0104] 13 由光学玻璃制成的透镜

[0105] 14 平凸型棒透镜

[0106] 15 像平面

[0107] 16-16”’ 间隙

[0108] 17 像平面

[0109] 18 中心光束

[0110] 19 周边光束

[0111] 20 平凸型棒透镜

[0112] 21 消色差三合透镜

[0113] 22 由光学玻璃制成的透镜

[0114] 23 由ED玻璃制成的透镜

[0115] 24 由光学玻璃制成的透镜

[0116] 25 平凸型棒透镜

[0117] 26 像平面

[0118] 27-27”’ 间隙

[0119] 28 像平面

[0120] 29 孔径平面

[0121] 30 中心光线束

[0122] 31 周边光线束

[0123] 35 集光透镜

[0124] 36 孔径

[0125] 37-37” 光束

[0126] 38 像点

[0127] 39 针对波长的像差图形

[0128] 41、42 多色光束

[0129] 43 红光

[0130] 43’ 绿光

[0131] 43” 蓝光

[0132] 44 红光

[0133] 44’ 蓝光

[0134] 45 基于波和孔径位置的焦点的分布

[0135] 46-46”” 针对波长的像差的图形

[0136] 51 斜角入射光束

[0137] 52 集束红光

[0138] 52’ 红光焦点

[0139] 53 集束绿光

[0140] 53’ 绿光焦点

[0141] 54 集束蓝光

[0142] 54’ 蓝光焦点

[0143] 55 像平面

[0144] 56 用于示出针对中心光束的参考波长的偏差

[0145] 57 用于示出针对具有半像高的光束的参考波长的偏差

[0146] 58 用于示出针对具有全像高的光束的参考波长的偏差

[0147] D 外径

[0148] D1 第一侧的直径

[0149] D2 第二侧的直径

[0150] R1 第一侧的曲率半径

[0151] R2 第二侧的曲率半径

[0152] T 透镜厚度

[0153] SA 球面像差

[0154] CA 色差

[0155] MTF 调制传递函数

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用于内窥镜的转像组和内窥镜

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