DE3529026C2

DE3529026C2 -

Info

Publication number: DE3529026C2
Application number: DE3529026A
Authority: DE
Inventors: Kimihiko Nishioka; Tsutomu Yamamoto; Susumu Takahashi; Akira Hachioji Tokio/Tokyo Jp Yokota
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1984-08-15
Filing date: 1985-08-13
Publication date: 1987-05-21
Also published as: DE3529026A1; US4720178A; JPS6147919A; JPH043853B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlablenkeinrichtung für ein Endoskop mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.

Eine derartige Strahlablenkeinrichtung ist aus der nicht vorveröffentlichten DE-OS 34 41 029 bekannt. Dort sind Objektivlinsen der Strahlablenkeinrichtung exzentrisch in bezug auf die Mittelachse des Endoskops angeordnet, wodurch eine Verbreiterung des patientennahen Endes des Endoskops erfolgt.

Bei dem in Fig. 2A in Seitenansicht dargestellten herkömmlichen Endoskop ist in seinem distalen Endstück 1 ein Objektiv 2 angeordnet. Wenn hinter dem Objektiv 2 eine Festkörper-Videokamera 3 rechtwinklig zur Längs- oder Achsenrichtung des Endoskops angeordnet ist, wird es durch die Abmessungen der Videokamera 3 erforderlich, den Durchmesser des distalen Endstücks 1 vom Endoskop zu vergrößern, was unerwünscht ist (s. Fig. 2B).

Zur Überwindung dieser Schwierigkeit ist bei einer aus der Japanischen Offengelegten Patentanmeldung 46 922/1983 bekannte Anordnung vorgesehen, daß gemäß Fig. 3A hinter dem Objektiv 2 im distalen Endstück 1 des Endoskops ein reflektierendes Bauteil 4, z. B. ein Prisma, so angeordnet ist, daß die optische Achse hinter dem Objektiv 2 rechtwinklig zur Längs- oder Achsenrichtung umgelenkt wird. Es wird somit ermöglicht, daß Licht zur Beobachtung auf eine Festkörper- Videokamera 3′ auffällt, welche in diesem Falle parallel zur Endoskopachse angeordnet ist. Weil jedoch die Videokamera 3′ gegenüber der optischen Achse des Objektivs 2 versetzt ist, macht Fig. 3B deutlich, daß die Videokamera 3′ in diesem Falle nicht in der Nähe der Mittelachse des distalen Endstücks 1 angeordnet werden kann, und daß folglich ein vergrößerter Durchmesser des distalen Endstücks 1 erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strahlablenkeinrichtung für ein Endoskop bereitzustellen, mit welcher der Durchmesser des patientennahen Endes des Endoskops so klein wie möglich gehalten werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Lehre, zunächst mittels einer Reflexionsfläche den vom Objektiv kommenden Strahl von der Eingangsfläche des Festkörper-Bildsensors wegzulenken, bringt den wesentlichen Vorteil, daß die Objektivlinsen nicht exzentrisch in bezug auf die Längsachse des Endoskops angeordnet werden müssen, so daß das distale Ende des Endoskop-Schlauches sehr dünn gehalten werden kann.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1A eine Seitenansicht einer Strahlablenkeinrichtung für ein Endoskop entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 1B die zugehörige Vorderansicht,

Fig. 2A und 3A je eine Seitenansicht eines herkömmlichen Endoskops,

Fig. 2B und 3B je die zugehörige Vorderansicht,

Fig. 4 eine Detailansicht eines Prismas für die Ausführungsform gemäß Fig. 1,

Fig. 5 bis 12 Darstellungen von verschiedenen Prismen und optischen Systemen als Abwandlungen der Ausführungsform gemäß Fig. 1,

Fig. 13 ein optisches System gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 14 ein optisches System als Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 13,

Fig. 15 ein optisches System entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 16 ein optisches System als Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 15,

Fig. 17 und 18 ein optisches System bzw. ein Prisma hierfür gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 19 eine vereinfachte Darstellung der Konfiguration eines Phasenfilms zum Verhindern von Moir´rändern.

Fig. 1A und 1B zeigen ein optisches System 10 für ein Direkt- oder Geradeausblick-Endoskop. Letzteres hat ein distales Endstück 11, in dem ein Objektiv 12 gemäß Fig. 1B zumindest annähernd gleichachsig zur Mittelachse des Endstücks 11 angeordnet ist. An oder in der Nähe der Mittelachse des Endstücks 11 ist eine Festkörper-Videokamera 13 in einem Bereich angeordnet, der der größten Querschnittsbreite des Endstücks 11 entspricht. Einer Eingangsfläche 13 a der Videokamera 13 gegenüber ist winklig dazu eine erste reflektierende Fläche 14 a eines Winkelprismas 14 angeordnet, das eine zweite reflektierende Fläche 14 b hat. Beide reflektierende Flächen 14 a und 14 b sind durch Beschichten mit Aluminium als Spiegelflächen ausgebildet. Hinter dem Objektiv 12 ist ein Reflexionsprisma 15 angeordnet. Licht zur Beobachtung, das entsprechend der mit einem Pfeil X angegebenen Richtung auf das distale Endstück 11 auftrifft, geht durch das Objektiv 12 hindurch und wird dann durch das Reflexionsprisma 15 entsprechend Fig. 1A nach oben abgestrahlt und fällt auf das Winkelprisma 14 auf, wird von dessen zweiter reflektierenden Fläche 14 b zurückgestrahlt, erfährt an der Bodenfläche des Winkelprismas 14 eine Totalreflexion und wird dann von der ersten reflektierenden Fläche 1l reflektiert, wodurch es vom Winkelprisma 14 ausgestrahlt und auf die Eingangsfläche 13 a der Videokamera 13 scharfgestellt wird.

Die vorstehend beschriebene Ausgestaltung ermöglicht die Anordnung der Festkörper-Videokamera 13 an oder in der Nähe der Mittelachse des Endoskopendstücks 11, wodurch sie im Endstück 11 eine solche Stellung einnimmt, daß ihre größten Abmessungen in dem der größten Breite des Endstücks 11 entsprechenden Bereich liegen. Weil das Winkelprisma 14 in einem freien Raum auf einer Seite der Eingangsfläche 13 a der Videokamera 13 angeordnet ist, ist keine Vergrößerung des Durchmessers vom Endstück 11 erforderlich, der somit so klein wie möglich gehalten werden kann.

In Fig. 4 sind das Winkelprisma 14 und das Reflexionsprisma 15 im einzelnen dargestellt, sowie ein vom Objektiv 12 kommender Lichtstrahl b und ein vom Winkelprisma 14 zur Videokamera 13 hin ausgesandter Lichtstrahl a. Werden die Neigungswinkel der reflektierenden Flächen 14 a und 14 b des Winkelprismas 14 und die reflektierende Fläche des Reflexionsprismas 15 mit α, β bzw. γ bezeichnet, ergibt sich:

Das Winkelprisma 14 und das Reflexionsprisma 15 können miteinander verkittet oder im Abstand voneinander unter Belassung eines kleinen Luftspaltes angeordnet sein. Außerdem kann das Winkelprisma 14 als Abdeckung der Eingangsfläche 13 a der Videokamera 13 dienen.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Abwandlung der Ausführungsform entsprechend Fig. 1A ist der untere Teil des Winkelprismas 14 gemäß Fig. 1A von einem getrennten plattenförmigen Prisma 14′ aus einem Werkstoff mit kleinerer Brechzahl gebildet, derart, daß von der reflektierenden Fläche 14 b des Winkelprismas 14 zurückgestrahltes Licht an der Grenzfläche der Prismen 14 und 14′ eine Totalreflexion erfährt. Die Arbeitsweise ist ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1A, wobei, wenn das Winkelprisma 14 und das Reflexionsprisma 15 miteinander verkittet sind, die Totalreflexion an der Bodenfläche des Winkelprismas 14 hervorgerufen wird.

Anstelle des Winkelprismas 14 der Ausführungsform gemäß Fig. 1A hat die in Fig. 6 dargestellte Abwandlung eine Kombination aus einem Prisma 16, das der Eingangsfläche 13 a der Videokamera 13 gegenüber winklig dazu angeordnet ist, und einem Dachkantprisma 17, welches so angeordnet ist, daß es Licht vom Reflexionsprisma 15 auf das Prisma 16 auffallen läßt. Bei dieser abgewandelten Ausführungsform können auch die beiden Prismen 15 und 16 als Dachkantprismen ausgebildet sein. In beiden Fällen ist die Arbeitsweise ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1A. Bei der Abwandlung gemäß Fig. 6 kann das Prisma 17 anders denn als Dachkantprisma ausgebildet sein, es kann ein dreieckförmiges Prisma sein, das sich bequem polieren und somit zu geringeren Kosten herstellen läßt. Durch Verändern des Abstandes l zwischen den reflektierenden Flächen der Prismen 16 und 17 kann es mit einer Videokamera 13 von beliebigen Abmessungen verwendet werden.

Die Kombination aus Winkelprisma 14 und Reflexionsprisma 15 der Ausführungsform gemäß Fig. 1A ist bei der in Fig. 7 gezeigten Abwandlung durch zwei Prismen 18 und 19 ersetzt, die in der dargestellten Weise angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht es, den Abstand l zwischen dem auf die Videokamera 13 auffallenden Lichtstrahl und der ersten reflektierenden Fläche des Prismas 18 gegenüber der abgewandelten Ausführungsform entsprechend Fig. 5 zu vergrößern und somit die Verwendung zusammen mit einer Festkörper-Videokamera von größeren Abmessungen als bei dem Beispiel gemäß Fig. 5 zu ermöglichen.

Bei dem Beispiel gemäß Fig. 8 ist das Prisma 18 entsprechend Fig. 7 durch ein Dachkantprisma 20 ersetzt. Bei beiden Beispielen ist die Arbeitsweise derjenigen der Ausführungsform gemäß Fig. 1A ähnlich, mit der Möglichkeit der Verwendung einer Festkörper-Videokamera von größerer Länge. Bei dem Beispiel gemäß Fig. 7 wird durch eine ungerade Anzahl von Reflexionen ein Kehrbild erzeugt, wogegen bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 8 ein aufrechtes Bild erzeugt wird.

Gemäß Fig. 9 ermöglicht die Verwendung von zwei Prismen 21 und 22 eine Reduzierung der Anzahl der Reflexionen gegenüber dem Beispiel entsprechend Fig. 7. Jedes der Prismen, 21 oder 22, kann als Dachkantprisma ausgebildet sein; dadurch wird ein aufrechtes Bild erzeugt.

Die abgewandelte Ausführungsform gemäß Fig. 10 hat drei Prismen 23, 24 und 25. Das Prisma 25 kann ein Dachkantprisma sein. Wenn das Prisma 23 oder das Prisma 24 ein Dachkantprisma ist, wird ein aufrechtes Bild erzeugt.

Die gemäß Fig. 11 abgewandelte Ausführungsform mit zwei Prismen 26 und 27 ist zusammen mit einer Festkörper-Videokamera 13 von größeren Abmessungen verwendbar, weil der Abstand l gegenüber dem Beispiel entsprechend Fig. 5 vergrößert werden kann. Bei jeder der Ausgestaltungen gemäß Fig. 9 bis 11 ist die Arbeitsweise ähnlich wie bei der Ausführungsform entsprechend Fig. 1A.

Bei dem in Fig. 12 gezeigten Beispiel wird anstelle des Objektivs 12 für Direkt- bzw. Geradeausblick der Ausführungsform gemäß Fig. 1A ein Objektiv 28 für Seitenblick mit einem Zwischenprisma 28 a verwendet. Ist das Zwischenprisma 28 a oder das Reflexionsprisma 15 ein Dachkantprisma, wird ein aufrechtes Bild erzeugt.

Fig. 13 zeigt ein optisches System entsprechend einer zweiten Ausführungsform für ein Endoskop 30. Letzteres ist ein Seitenblick-Endoskop mit einem distalen Endstück 31, in dem ein Objektiv 32 zumindest annähernd rechtwinklig zur Mittelachse des Endstücks 31 angeordnet ist. An oder in der Nähe der Mittelachse des Endstücks 31 ist eine Festkörper-Videokamera 33 angeordnet. Einer Eingangsfläche 33 a der Videokamera 33 gegenüber ist winklig dazu eine erste reflektierende Fläche 34 a eines Winkelprismas 34 angeordnet, das eine zweite reflektierende Fläche 34 b aufweist. Ein durch das Objektiv 32 hindurchgehender Lichtstrahl fällt in das Winkelprisma 34 ein, wird nacheinander von der zweiten und der ersten reflektierenden Fläche 34 b bzw. 34 a zurückgestrahlt und dann vom Winkelprisma 34 ausgesandt und auf die Eingangsfläche 33 a der Videokamera 33 scharfgestellt. Ein aufrechtes Bild wird erzeugt, wenn entweder die erste - 34 a - oder die zweite reflektierende Fläche 34 b des Prismas 34 von einer Dachfläche gebildet ist.

Bei der in Fig. 14 dargestellten Abwandlung der Ausführungsform entsprechend Fig. 13 ist das Objektiv 32 in einen am vorderen Teil eines zweiten Winkelprismas 35 angeordneten ersten Abschnitt 32 a und einen am rückwärtigen Teil des Winkelprismas 35 angeordneten zweiten Abschnitt 32 b unterteilt, um eine relativ große Gesamtlänge des Objektivs 32 unterbringen zu können. Bei jeder der gezeigten Ausgestaltungen gemäß Fig. 13 und 14 ist es möglich, die Videokamera 33 in der Nähe der Mittelachse des Endoskopendstücks 31 anzuordnen, weil, bezogen auf die Endoskopmittelachse, die optische Achse des Objektivs 32 zuerst seitlich zu einer Seite der Eingangsfläche 33 a hin verläuft und dann zur reflektierenden Fläche hin einfällt, welche der Eingangsfläche 33 a gegenüber winklig dazu angeordnet ist.

Bei dem in Fig. 15 dargestellten optischen System für ein Endoskop gemäß einer dritten Ausführungsform ist das Objektiv für Schrägblick ausgelegt und hat ein Prisma 36. Zum optischen System gehört ferner ein Prisma 37, das über der Eingangsfläche 33 a angeordnet ist.

Fig. 16 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 15 mit Prismen 38 und 39. Jede der Ausgestaltungen gemäß Fig. 15 und 16 ist auf ein Schrägblick-Endoskop anwendbar und ermöglicht die Anordnung der Festkörper-Videokamera 33 in der Nähe der Mittelachse des distalen Endoskopendstücks. Die Ausgestaltungen entsprechend Fig. 14, 15 und 16 enthalten Prismen, die keine Dachflächen aufweisen; es ist somit bei Senkung der Kosten möglich, ein aufrechtes Bild zu erzeugen.

Fig. 17 zeigt eine weitere Abwandlung der abgewandelten Ausgestaltung entsprechend Fig. 16, bei der bestimmte Bauteile des Objektivs zwischen Prismen 16 und 17 angeordnet sein können, um eine größere Gesamtlänge des Objektivs unterbringen zu können.

Gemäß Fig. 18 ist im distalen Endstück eines Endoskops an dessen Mittelachse eine Festkörper-Videokamera 40 mit leichter Schrägstellung angeordnet, die es ermöglicht, bei Verwendung eines einzigen Prismas 41 Lichtstrahlen vom zugehörigen Objektiv auf die Eingangsfläche der Videokamera 40 auffallen zu lassen. Durch die Verwendung eines einzigen Prismas 41 werden die erforderlichen Kosten herabgesetzt, und es wird ein positives Bild erzeugt. Das Prisma 41 kann aus gefärbtem Glas sein und als Farbtemperatur-Umwandlungsfilter dienen.

Wenn bei jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eine Eingangsfläche der Festkörper-Videokamera in einem größeren Abstand vom Objektiv angeordnet ist, derart, daß eine Bündelung von Licht aus dem Objektiv auf die Eingangsfläche verhindert wird, können zwischen das Objektiv und die Eingangsfläche eine oder mehrere Relaislinsen zwischengeschaltet sein, um die Scharfstellung des Bildes auf die Eingangsfläche zu ermöglichen.

Bei einem von einer Festkörper-Videokamera erzeugten Bild besteht die Gefahr, daß sich Moir´ränder bilden. Das Entstehen solcher Moir´ränder kann verhindert werden, wenn wenigstens eines der im Strahlengang angeordneten Prismen aus einem doppeltbrechenden Werkstoff, z. B. Quarz, ist. Eine andere Möglichkeit, das Entstehen von Moir´rändern zu unterbinden, besteht darin, auf wenigstens eine Fläche des Prismas Phasenfilme, die eine Phasendifferenz im wesentlichen gleich einem ungeraden Mehrfachen der halben Wellenlänge aufweisen, entsprechend Fig. 19 in Form von feinen Punkten in zufälliger Anordnung aufzudampfen, derart, daß diese Punkte insgesamt den halben Inhalt der Fläche ausmachen.

Außerdem können unerwünschte Infrarotstrahlen ausgeschaltet werden, wenn wenigstens eines der im Strahlengang angeordneten Prismen aus einem infrarotabsorbierenden Glas ist oder auf wenigstens eine seiner Flächen eine infrarotreflektierende Beschichtung aufgebracht ist.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind, um eine Reflexion von Lichtstrahlen aus dem Objektiv hervorzurufen, ein oder mehrere Prismen verwendet, an deren Stelle auch Spiegel benutzt werden können.

Claims

1. Strahlablenkeinrichtung für ein Endoskop mit einem Objektiv (12) am distalen Ende des Endoskops (10; 30); einem Festkörper-Bildsensor (13), der in Längsrichtung des Endoskops ausgerichtet ist; einer Prismenanordnung (14, 15; 16, 17; 19; 22; 23, 24, 25; 26, 27; 34, 35; 36, 37; 38, 39; 41) zum Umlenken von aus dem Objektiv (12) austretenden Strahlen auf die Eingangsfläche (13 a) des Festkörper-Bildsensors (13), die zumindest annähernd auf der Längsachse des Endoskops angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismenanordnung (14, 15; 16, 17; 19; 22; 23, 24, 25; 26, 27; 34, 35; 36, 37; 38, 39; 41) zumindest zwei Reflexionsflächen aufweist, von denen die eine (15; 18; 20; 21; 23; 35; 36; 38) den vom Objektiv (12) kommenden Strahl in eine Richtung lenkt, die von der Eingangsfläche (13 a) des Festkörper-Bildsensors (13) weggerichtet ist, und die andere Reflexionsfläche (14 a; 16; 19; 22; 25; 27; 34 a; 37; 39) den von der ersten Reflexionsfläche abgelenkten Strahl in Richtung auf die Eingangsfläche (13 a; 33 a) des Festkörper-Bildsensors (13) lenkt.

2. Strahlablenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Prismenanordnung (14, 15; 16, 17; 19; 22; 23, 24, 25; 26, 27; 34, 35; 36, 37; 38, 39; 41) eine erste Reflexionsfläche (15; 18; 20; 21; 23; 35; 36; 38) vorgesehen ist, die in Richtung (X) des Strahls vor dem Festkörper-Bildsensor (13) liegt und aus dem Objektiv (12) austretende Strahlen in eine Richtung reflektiert, die von der Eingangsfläche (13 a) des Festkörper-Bildsensors (13) wegführt, und daß zumindest eine zweite und eine dritte Reflexionsfläche (14 b; 14 a) vorgesehen sind, die den von der ersten Reflexionsfläche kommenden Strahl auf die Eingangsfläche (13 a) des Festkörper-Bildsensors (13) richten.

3. Strahlablenkeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zweiten und der dritten Reflexionsfläche eine vierte Reflexionsfläche vorgesehen ist.

4. Strahlablenkeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite, dritte und vierte Reflexionsfläche in einem einzigen Prisma ausgebildet sind und daß die vierte Reflexionsfläche total reflektierend ist.

5. Strahlablenkeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine fünfte Reflexionsfläche zwischen der zweiten Reflexionsfläche und der vierten Reflexionsfläche vorgesehen ist (Fig. 7 und 8).

6. Strahlablenkeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Reflexionsfläche in einem ersten Prisma (18; 20) ausgebildet sind; daß die dritte, vierte und fünfte Reflexionsfläche in einem zweiten Prisma (19) ausgebildet sind; daß die zweite Reflexionsfläche zusammen mit der Einfallsfläche des ersten Prismas total reflektiert und daß die vierte Reflexionsfläche zusammen mit der Ausgangsfläche des zweiten Prismas total reflektiert.

7. Strahlablenkeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der im Lichtweg angeordneten Prismen aus einem Infrarotstrahlung absorbierenden Glas gefertigt ist oder daß zumindest eine der Oberflächen der Prismen mit einer Beschichtung versehen ist, die Infrarotstrahlung reflektiert.

8. Strahlablenkeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Reflexionsflächen in einem Prisma ausgebildet ist, das aus doppelbrechendem Material gefertigt ist.

9. Strahlablenkeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper-Bildsensor (13) in bezug auf die Längsachse des Endoskops in leichter Schrägstellung angeordnet ist.