用于刚性内窥镜的中继光学系统以及内窥镜的制作方法

本发明涉及一种用于刚性内窥镜的中继光学系统，其包括两个相同地形成的透镜系统，这些透镜系统相对于垂直于光轴的对称平面彼此对称地布置。此外，本发明涉及包括具有至少一个此类中继光学系统的中继系统的内窥镜。

背景技术：

内窥镜被特别用于微创手术，以允许手术医生能洞察手术区域所处的身体部位。使用单眼内窥镜和立体内窥镜两者，后者经由两个光学通道提供深度的三维印象，这对单眼内窥镜而言是不可能的。

在内窥镜杆的远端处，通常布置有物镜，其收集从待观察物体发出的光并生成物体的真实中间图像。借助于布置在物镜下游的光学中继系统将该中间图像传送到内窥镜杆的近端。在内窥镜杆的近端设置目镜，该目镜为人眼成像真实中间图像或借助于相机物镜将真实中间图像成像到传感器表面上。

用于内窥镜的光学中继系统应具有带有小直径的高光学质量。虽然在柔性内窥镜中常常使用光导(例如，玻璃纤维束)来达到此目的，但具有棒状透镜的中继系统普遍适用于刚性内窥镜。具体而言，由特殊光学玻璃制造的棒状透镜比柔性光导具有更高的光学质量。

在文献us5557454a中公开了一种刚性内窥镜，其借助于棒状透镜将光学图像从安装在内窥镜杆远端的物镜传输到近端布置的目镜。

从文献us6,490,085b1已知一种用于刚性内窥镜的光学中继系统，其包括相对于垂直于光轴的对称平面对称地布置的两个透镜系统。

文献de102013209956a1公开了一种刚性立体内窥镜，其中从近端安装的物镜到远端安装的传感器表面的图像传输再次使用棒状透镜来实现。

在文献wo2015/131278a1中描述了一种用于宽带成像的图像传输的系统，其由镜像对称布置的棒状透镜和球面透镜组成。

从现有技术中已知的光学中继系统根本不校正成像误差或在任何情况下都不充分地校正成像误差。具体而言，已知的光学中继系统具有很高的图像场曲率，其难以用下游光学系统进行校正。附加地，已知的光学中继系统仅被设计用于特定内窥镜整体长度。

技术实现要素：

本发明的目的是指定一种用于刚性内窥镜的中继光学系统，该中继光学系统具有简单且紧凑的设计并且同时尽可能地校正图像误差，特别是图像场曲率。

该目的通过具有权利要求1的特征的中继光学系统和具有权利要求7的特征的内窥镜来实现。有利的改进在从属权利要求中指定。

本发明的中继光学系统包括两个相同地形成的透镜系统，这些透镜系统相对于垂直于光轴的对称平面彼此对称地布置。按照从对称平面查看的顺序，透镜系统中的每一者都包括第一双凸透镜、双凹透镜、具有面向对称平面的凸透镜表面和背离对称平面的凹透镜表面的棒状透镜、以及第二双凸透镜。结果，实现了中继光学系统的简单且紧凑的结构。

通过相同地形成的透镜系统的对称(镜像)布置，在一个透镜系统中出现的色差可最大程度地由另一个透镜系统校正。色差的校正尤其使得可将多个中继光学系统相继地布置在一个中继系统内，而不会使中继系统的整体色差变得太大。

本发明的中继光学系统进一步具有制造和组装成本相对较低的优点，因为仅使用几个不同的部件。

中继光学系统的特殊设计还使得例如由布置在中继光学系统上游的物镜引起的图像场曲率被中继光学系统本身校正成为可能。具体而言，在包括任意数量的相继布置的中继光学系统的中继系统中，因此图像场曲率几乎可被完全校正。此外，通过校正本发明的中继光学系统中的图像场曲率，可将布置在中继光学系统的图像侧的目镜设计得比迄今为止已知的内窥镜更紧凑，因为在本例中，图像场曲率在中继光学系统本身中被校正，而不是像通常那样在目镜中被校正。

在有利的改进中，相应透镜系统的第一双凸透镜、双凹透镜、棒状透镜和/或第二双凸透镜彼此粘合。将所有上述透镜粘合到单个部件上是特别有利的。在下文中，该部件也被称为经粘合棒状透镜系统。通过使用经粘合棒状透镜系统，制造和组装成本可以显著降低。

在另一有利的改进中，相应透镜系统的棒状透镜由冕牌玻璃制成。由于其良好的光学透射性质，特别是使用钡冕玻璃对于中继光学系统是有利的。

优选地，相应透镜系统的第一双凸透镜、双凹透镜和/或第二双凸透镜由火石玻璃制成。火石玻璃的高分散性允许构造具有期望的消色差特性的经粘合棒状透镜系统，特别是通过具有不同阿贝(abbe)数和折射率的较轻和较重的火石玻璃的组合。

有利的是，相应透镜系统的第一双凸透镜和/或第二双凸透镜具有抗反射涂层，特别是在它们的非粘合表面上。这尤其用于增加光学透射并使杂散光最小化，从而改善中继光学系统的光学质量。光学透射的增加使得串联连接多个中继光学系统成为可能而没有明显的光损失。

在另一个有利的实施例中，在对称平面中布置光阑以限制中继光学系统的孔径。

本发明的另一方面涉及一种内窥镜，其包括具有至少一个上述类型的中继光学系统的中继系统。

在一有利的实施例中，内窥镜包括刚性内窥镜杆，中继光学系统被布置在该刚性内窥镜杆中。

在一特别有利的实施例中，中继系统包括至少一个中继模块，该中继模块包括沿着光轴相继布置的上述类型的多个中继光学系统。

在另一个有利的实施例中，中继系统包括形成立体布置的两个中继模块。因此，通过内窥镜可以进行立体观察。

本发明的光学设计尤其包括透镜元件与粘合组内的棒状透镜(棒状透镜系统)的组合以及两个棒状透镜系统组合成一个中继光学系统。各个透镜的半径和材料优选彼此匹配，以使得所谓的塞德尔(seidel)像差被特别好地校正。在此过程中，特别是作为图像场曲率的度量的佩兹伐(petzval)总和被最小化。通过以相反的顺序使用两个相同的棒状透镜系统，第一棒状透镜系统的色差可由第二棒状透镜系统来补偿。此外，不仅光学地限制中继光学系统的中间图像可被特别好地校正，而且可以校正从一个中继光学系统传递到下一个中继光学系统的瞳孔成像。

附图说明

更多的特征和优点源于以下描述，其在结合所附附图的各实施例的基础上更加详细地解释了本发明。

图1示出了根据一个实施例的用于刚性内窥镜的中继光学系统。

图2示出了作为根据图1的中继光学系统的一部分的透镜系统的实施例。

图3示出了包括根据图1的多个中继光学系统的单目内窥镜的实施例；以及

图4示出了包括根据图1的多个中继光学系统的立体内窥镜的实施例。

具体实施方式

图1示出了用于刚性内窥镜中的中继光学系统1的实施例。中继光学系统1包括两个相同地形成的透镜系统2和光阑3，该光阑3在垂直于内窥镜的光轴o的平面a中布置在透镜系统2之间。中继光学系统1的两个透镜系统2相对于平面a彼此镜像对称地形成。

在图2中示意性地示出了根据图1的两个相同地形成的透镜系统2中的一个。如从平面a看到的那样，透镜系统2包括第一双凸透镜4、双凹透镜5、棒状透镜6和第二双凸透镜7。第一双凸透镜4具有两个凸面f1，f2。双凹透镜5具有两个凹面f3，f4。棒状透镜6具有面向平面a的凸面f5和背离平面a的凸面f6。第二双凸透镜7具有两个凸面f7，f8。

第一双凸透镜4的背离平面a的表面f2粘合到双凹透镜5的面向平面a的表面f3以形成单个光学有效表面。双凹透镜5的背离平面a的表面f4粘合到棒状透镜6的面向平面a的表面f5。棒状透镜6的背离平面a的表面f6粘合到第二双凸透镜7的面向平面a的表面f7。因此，透镜系统2形成单个部件。

第一双凸透镜4和第二双凸透镜7的非粘合透镜表面f1、f8各自还具有抗反射涂层16。这些涂层用于减少杂散光。

表1示出了根据图1的中继光学系统1的透镜数据，其中根据图2的两个相同的透镜系统2关于光阑3对称地布置。中继光学元件1的光学有效表面在表1中从物体侧起以1至10编号。括号中指示了根据图2的相关附图标记。所有尺寸和关于长度的所有信息均以单位[mm]表示。玻璃的名称遵循肖特(schott)命名法。

表1

单眼内窥镜12的一个可能的实施例在图3中示意性地被示出。它包括远端布置的物镜14、具有中继模块10的光学中继系统11、以及近端布置的目镜15。内窥镜12还包括杆17，其中布置有前述的部件或光学元件10、14和15。中继模块10包括沿着光轴o相继布置的根据图1的多个中继光学系统1。

图3所示的内窥镜12的功能特别是使得布置在内窥镜12的远端处的物镜14生成待观察的物体的第一中间图像21a。中继模块10将远端的第一中间图像21a成像到近端的第二中间图像21b上。在此过程中，中继系统11或中继模块10将第一中间图像21a从内窥镜12的远端传递到近端。布置在内窥镜12的近端处的目镜15最终将第二中间图像21b成像到未在图3中示出的相机传感器上。

中继模块10的各自包括根据图2的两个相同透镜系统2的中继光学系统1是自校正的，特别是关于色差。这意味着当单独看时，每个中继光学系统1关于色差都被几乎完全校正。这使得可将多个中继光学系统1相继地布置在中继模块10内，而不会使中继系统11的整体色差变得太大。由此，能够以基本上相同的光学质量以不同的整体长度来实现内窥镜12。

此外，图像误差的校正也不必由布置在中继模块10下游的目镜15来完成。因此，目镜15可具有特别紧凑的结构。

中继系统11或中继模块10的个体中继光学系统1各自形成具有-1的图像比例的光学反转系统。由于中继光学系统1以奇数(例如5)个布置在中继模块10中，所以中继系统11形成具有+1的图像比例的光学系统。

立体内窥镜13的实施例在图4中示意性地示出。与图3所示的单目内窥镜12相比，立体内窥镜13具有两个光学通道。立体内窥镜13具有杆20，其中从远端看，物镜18、具有两个中继模块10的立体中继系统11、以及近端布置的目镜19被布置。

在立体视觉中继系统11中，每次两个中继模块10中的一个中继模块10被分配给两个光学通道中的一个光学通道。两个中继模块10中的每一个中继模块分别将由物镜18生成的远端中间图像21c和21d成像到第二近端中间图像21e和21f上。以此方式生成的近端中间图像21e和12f然后由目镜19成像到图4中未示出的相机传感器上。

根据图3和4的前述实施例仅是示例。因此，具体而言，中继光学系统1的数量既不限于奇数，也不限于数量五。

根据图4的立体内窥镜13为两个光学通道提供共享物镜18。在一个替代实施例中，可将单独的物镜分配给每个个体通道。

附图标记列表

1中继光学系统

2透镜系统

3光阑

4第一双凸透镜

5双凹透镜

6棒状透镜

7第二双凸透镜

10中继模块

11中继系统

12单目内窥镜

13立体内窥镜

14,18物镜

15,19目镜

16抗反射涂层

17,20内窥镜杆

21a至21e中间图像

a对称平面

o光轴