具有优化的换向棱镜的可视化系统的制作方法

本发明涉及一种可视化系统，所述可视化系统可以尤其是设计为尖端芯片式(cit)内窥镜，即尤其是设计为具有至少一个图像传感器的内窥镜，该图像传感器布置在内窥镜杆的远侧的端部区域中。可视化系统包括近侧的图像传感器、远侧的图像传感器和至少一个棱镜。在这里，棱镜将第一成像光路转向到近侧的图像传感器上以及将第二成像光路转向到远侧的图像传感器上。

背景技术：

1、这种可视化系统以内窥镜的形式在先已知，其中，两个图像传感器布置在内窥镜的远侧的端部区域中。在这里，图像传感器通常用于探测不同波长范围(如白光和红外光)，其中，这些光谱成分被棱镜中的镜面分开，并且由此被转向到相应的图像传感器上。此外，还已知使用二向色镜来进行这种波长选择性的换向。

2、在这种方法中，通常在换向棱镜之前连接有成像光学器件，该成像光学器件限定一个特定的焦平面，该焦平面必须与图像传感器的有效传感器面相一致，因此能获得清晰的成像。因此，在这种方法中，延伸穿过棱镜的两个成像光路通常都设计为，使得所述成像光路提供所期望的光学的路径长度，更确切地说在考虑到纵向色差(所述纵向色差根据波长范围而影响相应的焦平面的位置)的情况下，从而使相应的焦平面处于相应的传感器上。

技术实现思路

1、从该在先已知的现有技术出发，本发明基于以下任务：提供一种可视化系统，该可视化系统在结构尺寸小、尤其是相对于棱镜的尺寸而言结构尺寸小的情况下在两个图像传感器之中的每个图像传感器上实现高的成像质量。

2、为了解决该任务，根据本发明在一种可视化系统中、尤其是在一种内窥镜中设置权利要求1的特征。尤其是，因此根据本发明为了解决该任务在开头提及的类型的可视化系统中提出，第二成像光路在通过远侧的射入面射入所述至少一个棱镜中之后在棱镜的波长选择性的第一镜面上借助第一反射发生换向并且从棱镜的构造在所述至少一个棱镜的底侧处的远侧的射出面从所述至少一个棱镜射出。此外规定，对于底侧的长度l1与射入面的高度h1之比适用：l1/h1>1.5。

3、这种可视化系统可例如在医学中使用或用于工业应用，例如在检查难以接近的中空空间时。在可视化系统构造为尖端芯片式(cit)内窥镜(其中，即相应的图像传感器布置在内窥镜尖端中)的情况下，则两个图像传感器优选布置在内窥镜的远侧的端部区域中。

4、在此，棱镜的底侧的长度l1正好对应于在第一镜面与射入面之间的最小间距，该最小间距沿着底侧测量(该底侧优选可以平行于内窥镜的纵向轴线/第一成像光路的光学轴线延伸)。而棱镜的总长度l2可与在第一镜面与射入面之间的最大间距相对应(该最大间距沿着第一成像光路的所述光学轴线测量)。

5、在这里，高度h1优选可以垂直于底侧并且垂直于第一成像光路的光学轴线测量。此外，远侧的射出面甚至可以直接与远侧的射入面邻接和/或垂直于该远侧的射入面延伸。特别优选的是棱镜的如下设计，在所述设计中适用：l1/h1>2.0，或甚至l1/h1>2.2。

6、在设计棱镜时，要注意各种边界条件：尤其是，针对给定的安装空间，射入窗口的尺寸应尽可能大，以便实现对图像传感器的良好的照明或能使用大的且因此分辨率高的图像传感器。同时，棱镜在其结构高度方面应保持尽可能小，以便即使在狭窄的安装空间内也可以使用。最后，棱镜的体积总体上应保持得小，从而该棱镜能够成本适宜地制造。这尤其适用于棱镜横向于第一成像光路的光学轴线所形成的总高度h1+h2，其中，h2是在射入窗口的高度与棱镜的总高度之间的差。

7、不过，本发明现在已经认识到，有意义的可以是，与棱镜的在最小的总高度下产生的结构形状有偏差。因此可实现：从总体上最佳地确保以下三个边界条件：(1)棱镜的射入窗口的高度h1尽可能大；(2)棱镜的总高度h1+h2尽可能小；(3)第一镜面相对于第一成像光路的主射束的倾斜角尽可能小。

8、正如还更详细阐述的那样，对于借助远侧的图像传感器记录的图像的高质量而言有利的是，第一镜面相对于第一成像光路的光学轴线仅稍微倾斜。因为在这种情况下，尤其是第二成像光路的边缘射束相对陡地打到第一镜面上。这有利于使第二成像光路内的光学的路径长度差最小化，由所述光学的路径长度差可产生显著的像差，所述像差对成像产生负面影响，如还更详细地借助附图阐述的那样。

9、正是当使用带有相应的16:9图像格式的通常的图像传感器时，棱镜的这种设计可以提供优势，尤其是当可视化系统包括两个光学通道时，所述光学通道借助图像传感器来检测。

10、因此，棱镜的第一镜面可用作分束器，并且将通过射入窗口入射的光路划分成第一成像光路和第二成像光路。

11、例如，第一成像光路可以从近侧的射出面从所述至少一个棱镜射出，所述近侧的射出面与远侧的射入面相对置。在此有利的是，射出面至少提供和远侧的射入面一样的高度h1，由此第一成像光路的所有穿过射入面的光也能被引导到近侧的图像传感器。

12、尤其是，射入面可以是棱镜的面向两个成像光路的整个前面。但是，在此并不一定整个射入面必须被两个成像光路穿透，相反地可以仅射入面内的较小的(尤其是旋转对称的)射入窗口被成像光路穿透(而射入窗口本身可以具有矩形的几何结构)。不言而喻的是，因此第一成像光路也可以通过远侧的射入面射入到棱镜中，尤其是通过相同的射入窗口。

13、术语“远侧”和“近侧”可以相对于用户来理解，该用户使用可视化系统，以便沿特定的观察方向进行图像拍摄：当观察方向远离用户身体指向时，近侧的图像传感器靠近用户身体，而远侧的图像传感器远离用户身体，即后者位于内窥镜的尖端中。

14、所述至少一个棱镜可以优选(尤其是相应)设计为五棱镜(即带有五个拐角)。在两个平行的光学通道的构造的情况下，可视化系统也可以具有两个棱镜、尤其是分开布置或彼此分隔开的棱镜，所述棱镜分别如上所述构造。但是或者，一个共同的棱镜用于两个通道。

15、第一成像光路可以优选沿着内窥镜的纵向轴线取向并且在不发生任何偏转的情况下在透射下穿过棱镜。相应地，第一图像传感器的面法线可平行于该纵向轴线延伸。

16、由于第一镜面可以与近侧的射出面重合，因此第一成像光路的主射束可以与棱镜的近侧的射出面的面法线形成一个角度。根据本发明，该角度应相对小，因此主射束的(相对于面法线测量的)入射角保持得小，并且因此边缘射束也还相对较陡地入射到棱镜的第一镜面上。

17、相对地，远侧的射出面(第二成像光路通过该远侧的射出面离开棱镜)的面法线可以横向于、尤其是垂直于内窥镜的纵向轴线或第一成像光路的光学轴线取向。

18、因此，第二成像光路优选能被棱镜换向或反射两次。在此，第二成像光路可以首先在棱镜的内部的镜面上借助第一反射发生换向，优选这样换向，使得第二成像光路随后逆着第一成像光路的方向传播。

19、借助棱镜的第二镜面、尤其是外部的第二镜面，第二成像光路则可以借助第二反射再次换向，尤其是这样再次换向，使得在第二反射之后，第二成像光路的主射束横向于、优选垂直于内窥镜的纵向轴线延伸。在此优选的是，第二成像光路的主射束平行于棱镜的远侧的射出面的面法线从棱镜射出。第二镜面在此可以优选(沿着内窥镜的纵向轴线)布置在射入窗口的轴向投影之外。因为在这种情况下镜面不遮盖射入窗口。

20、这样的可视化系统可以例如设计为带有直视的内窥镜或设计为斜视内窥镜(例如，在使用光学换向单元的情况下，其例如呈还在实际的换向棱镜之前的另外的棱镜的形式)。然而，在两种情况下，相应的成像光路——如有可能在所述另外的棱镜中第一次换向之后——可以还在射入到根据本发明设计的换向棱镜中之前沿内窥镜的纵向轴线方向延伸。

21、相应的图像传感器的有效面可以(分别)——尤其是直接——布置在棱镜的相应的射出面上或者也可以与之间隔开(即在使用气隙或中间层、尤其是透明的粘接层的情况下)。

22、为了解决开头提及的任务并且尤其是为了扩大可视化系统的应用可能性或增加其功能，替代或补充于上文提到的特征，提出权利要求2的特征，权利要求2的特征可能具有独立的创造性品质。尤其是，因此在开头提及的可视化系统中提出，所述可视化系统具有左光学通道和右光学通道，以用于产生三维图像、尤其是用于立体视觉。这两个通道尤其可以在光学上相互分开，例如借助不透明的分隔层或光学屏障相互分开。此外提出，所述至少一个棱镜(相应)将所述光学通道之中的一个或两个光学通道不仅换向到近侧的图像传感器上而且换向到远侧的图像传感器上。因为由此可以尤其是实现：借助所述两个图像传感器之中的每个图像传感器都能够记录三维图像和/或立体图像。在此，图像尤其是可以在不同的波长范围内记录。例如，所述两个图像传感器之中的一个图像传感器、尤其是远侧的图像传感器可以设置用于荧光成像，而另一个图像传感器、尤其是近侧的图像传感器可以设置用于白光成像。因为在使用如上所述的第一镜面时，这些不同的波长范围可被棱镜分成上文阐述的两个成像光路。

23、这两个光学通道优选可以在光学上或在空间上相互分开地构造，尤其是这样构造，使得左光学通道的成像光路不与右光学通道的成像光路重叠。为此，可以使用尤其是分开的棒状透镜，这些棒状透镜并排地、尤其是彼此平行地布置，以便成形出左光学通道或右光学通道的相应的成像光路。

24、第二方法(根据权利要求2)的特征也能以有利的方式与第一方法(根据权利要求1)的上文阐述的特征相结合。

25、根据本发明，所述任务还可以通过根据从属权利要求的另外的有利的实施方案来解决，这些实施方案在下文中阐述并且分别可以与上文阐述的所有特征相结合：

26、例如，可视化系统可包括两个单独的远侧的透镜组件，所述远侧的透镜组件分别形成所提到的左光学通道或右光学通道。这些透镜组件或这两个光学通道也可以在光学上相互分开，例如借助不透明的分隔层或光学屏障。对此替代地，也可以设置一个共同的远侧的透镜组件，所述一个共同的远侧的透镜组件形成所述两个光学通道(左光学通道+右光学通道)。

27、此外可行的是，在可视化系统中，用于两个光学通道的共同的棱镜相应将第一成像光路转向到近侧的图像传感器上，并且将第二成像光路转向到远侧的图像传感器上(分别用于两个光学通道之中的每个光学通道)。不过同样一样好的也可以是，使用两个分开的棱镜，更准确地说分别用于两个光学通道之中的一个光学通道。在这种情况下，这两个棱镜之中的每个棱镜分别将第一成像光路转向到近侧的图像传感器上并且将第二成像光路转向到远侧的图像传感器上。因为也可以借助这些方法将两个不同的波长范围相互分开并且由此分别由两个图像传感器以感测的方式进行检测。

28、如上文已经阐述的，被证明为有利的是，第二成像光路的射束相对陡地打到波长选择性的第一镜面上，因此于是就可避免成像误差，并且因此可以在第二成像光路中或在远侧的图像传感器上获得在质量上高品质的图像。

29、一个特别优选的设计方案规定，第一镜面的面法线与第一成像光路的光学轴线围成一个角度α，对于该角度适用：α<20°。优选可以适用α<18°或甚至α<15°。

30、根据要由第一镜面反射的波长谱的带宽有多大，角度α甚至可以选择为小于13°，尤其是小于12°。在此，波长带宽越大，角度α就应该选择得越小，因为此时总归都已经无法避免一定的光学的路径长度差(由于光学元件的色散)。

31、由第一镜面相对于第一成像光路的光学轴线的这样小的倾斜度尽管产生棱镜横向于光学轴线的次优的结构高度h1+h2，该结构高度于是大于实际需要的结构高度。因为只有当射束不仅以α＝β＝22.5°的角度入射到第一镜面上而且入射到第二镜面上(其中，则也就达到了所期望的射束换向2α+2β＝90°)时，才达到棱镜的最小结构高度。然而，由此可以改进借助远侧的图像传感器进行的成像的质量，尤其是当入射到第一镜面上的射束的波长谱和/或角度谱并非不显著地宽时，因为在角度α过大的情况下，则存在光学像差(色差和散光)的危险。

32、对于α＝22.5°，棱镜的总结构高度h1+h2因此为最小，并且同时在底侧长度为l1＝h1时就已经可以确保：在第二镜面上反射的射束不再次打到第一镜面上。然而，底侧长度l1的根据本发明较长的设计在这里提供以下优点：角度α可以相应地选择得较小，由此使得对于入射到第一镜面上的光射束的给定的角度谱以及对于反射射束的相关波长谱来说确保小的光学路径长度差和因此高的成像质量变得容易得多。在此要考虑：入射到第一镜面上的角度谱只有在高的技术耗费(即使用大量光学元件)的情况下才能这样强地减少，使得即使更大的倾斜角α也是可接受的。因此，本发明在此提出了一种特定的设计方法，该设计方法带来高的图像质量、足够的照明和可接受的棱镜结构高度，并且在此在使用市场上可获得的二向色镜的情况下即使在可视化系统的非常大的视角(如视场大于65°)时也可以使用该设计方法。此外，所需的光学元件的数量保持得小，这对于安装空间、重量和成本是有利的。

33、因此尤其是可以规定，所述近侧的图像传感器以感测的方式检测第一波长范围，而所述远侧的图像传感器以感测的方式检测与第一波长范围不同的第二波长范围。在此，所述第一镜面可以透射第一波长范围并且反射第二波长范围。不言而喻的是，所述两个图像传感器——尤其是由于像素级的滤光器不同——在所述图像传感器的相应的光谱灵敏度方面也可以是不同的。

34、因此，第一镜面可以将第一波长范围进一步引导至近侧的图像传感器(这些波长穿过第一镜)并且将第二波长范围进一步引导至远侧的图像传感器(这些波长被所述镜反射)。

35、为此，第一镜面可以构造为二向色镜。在光学领域，二向色镜理解为一种干涉滤光器，其对于不同波长范围具有不同的透射度或反射度。二向色镜通常由一序列具有不同折射率的多个电介质层组成，这些电介质层被施加在玻璃基底(在这里棱镜的玻璃体)上。二向色面的设计和因此用于分离波长的二向色滤光器的光谱边缘锐度对第一镜面的功能至关重要。在这里两个因素是重要的：(i)必须引导通过棱镜的入射角的“带宽”。在这里，力求在主射束与外射束之间的尽可能小的差异，这引起成像光学器件的尽可能小的打开角度的目标设立。然而，所使用的光学元件的数量在此受到限制。(ii)二向色面相对于第一成像光路的主射束或相对于内窥镜的纵向轴线的倾斜角。该倾斜角应该是最小的，因为在二向色面的倾斜角较大的情况下，滤光器的每个层中的有效光学路径长度增大。最后一点是至关重要的，因为层的层厚度与所期望的波长偏移成正比。换句话说，滤光器的边缘锐度随着层越厚或入射射束的入射角越大而降低。然而，高的边缘锐度是需要的，以便使入射的光在光谱上更清晰地分开。如果边缘锐度不够，则光部分地丢失或引导到错误的成像光路中。由于二向色滤光器/镜是一个层系统，则每个单个的层的误差相加，这使问题提出更加严重。本发明为此提供一种有效的解决方案。

36、作为示例，在这里说到α＝11.5°的标称的倾斜角。在这种情况下，入射到棱镜的第一镜面上的成像光路的真实入射角度谱可处于8°与15°之间。由此可产生小于1.5％的相对的路径长度差。而如果倾斜角为α＝22.5°，这产生棱镜的最佳结构高度，则入射角可在19°与26°之间波动，这此时产生超过2.7％的相对的路径长度差(这为大致多80％的变化)。这表明倾斜角α的意义。

37、第一波长范围(该第一波长范围由近侧的图像传感器记录)可以与第二波长范围(该第二波长范围由远侧的图像传感器记录)不相交，即正好不表现出重叠。例如，当第一镜面的反射度形成短通过滤特性(针对短波长的低反射度或高透射度，针对长波长的高反射度或低透射度)或长通过滤特性或例如带通过滤特性或带阻过滤特性时，则这是这种情况。

38、例如，第一波长范围(由近侧的图像传感器检测)可这样选择，使得该第一波长范围用于或能用于白光成像和/或覆盖整个可见的波长范围。而第二波长范围(由远侧的图像传感器检测)可以处于可见的波长范围之外，或例如仅覆盖可见的波长范围的部分区域。这种做法尤其能用于荧光成像(例如借助远侧的图像传感器进行的荧光成像)，附加地——尤其是同时——能用于白光成像(例如借助近侧的图像传感器进行的白光成像)。当然，这些特性也可以关于相应的波长范围反过来构造(远侧的图像传感器检测近似白色的宽带光谱，近侧的图像传感器检测另外的较窄的光谱)。本发明此外提供以下优点：在两个光谱范围内的两个成像分别可以产生三维图像或立体图像。

39、例如，可视化系统的两个图像传感器之中的一个图像传感器可以设计为传统的rgb传感器，例如用于记录白光图像。尤其是在这种情况下，另一个图像传感器可以例如设计为单色图像传感器，尤其是用于以感测的方式检测在可见光谱以外的波长，例如在nir波长范围中或uv波长范围中的波长。

40、如还更好地依据附图可看到的，第二成像光路可以在第一镜面上反射之后在棱镜的第二镜面上再次反射。该第二镜面可以尤其是设计为外部的镜面，例如通过在棱镜的玻璃体上进行金属化。由此，尤其是可实现：第二成像光路与第一成像光路相交。换句话说，所述两个成像光路的相应的主射束可以在棱镜内的交叉点处相交。由此可出现以下情况，在该情况下，由第二镜面反射的射束与这样的入射的射束相交，所述反射的射束借助第一镜面从该入射的射束分岔出。在棱镜的这种设计中也说到“向内分裂”，通过其可实现光学系统的紧凑设计，因为通过使用双反射，可以将第二成像光路的光学的路径长度相应地设计得长。

41、例如，第一镜面可以是内部的镜面，即例如当玻璃体与棱镜的第一镜面无气隙地相接时。在此，第二成像光路的第一反射也可以基于内部的全反射。

42、一般来说有利的是，所述近侧的图像传感器的面法线沿着可视化系统的(即尤其是上文提到的内窥镜的)纵向轴线取向，并且所述远侧的图像传感器的第二面法线横向于(即尤其是垂直于)所述纵向轴线。相应的面法线在此垂直于图像传感器的相应的有效面。正是远侧的图像传感器的面法线垂直于纵向轴线的取向产生横向于纵向轴线的特别紧凑的结构形式，因为图像传感器的“覆盖区(footprint)”通常比图像传感器的可用的有效面大非常多。

43、为了高的图像质量此外可规定的是，所述两个成像光路的主射束的从棱镜的射入面直至所述近侧的图像传感器的或所述远侧的图像传感器的相应的传感器面测量的相应的光学的路径长度构造成一样长的。这尤其适用于如下情况，即，可视化系统的提供所述两个成像光路的成像光学器件针对第一波长范围和第二波长范围是经(光学)修正的(第一波长范围和第二波长范围由远侧或近侧的传感器以感测方式进行检测)。例如，光学的路径长度可通过选择用于棱镜和所提到的玻璃体的玻璃材料及其几何尺寸来进行调整。

44、在根据本发明的可视化系统的替代于此的实施方案中可以规定，所述两个成像光路的主射束的再次从棱镜的射入面直至所述近侧的图像传感器的或所述远侧的图像传感器的相应的传感器面测量的相应的光学的路径长度相差光学的路径长度差nδl。例如当可视化系统的提供所述两个成像光路的成像光学器件针对第一波长范围和第二波长范围提供不同的平均的图像侧的后焦距(back focal length＝bfl)时，则提供这个。不言而喻的是，在此有利的是，所述光学的路径长度差nδl对这些后焦距差进行光学补偿。因此，在这样的设计中，成像光学器件有意识地不对于第一和第二波长范围进行修正(在对于这些波长范围相应仅非常弱的显现的纵向色差的意义上)。

45、正是在利用可视化系统观察大视场(field of view＝fov)的应用中，对于高的成像质量而言有利的是，可视化系统具有成像光学器件，该成像光学器件位于所述至少一个棱镜前面并且将第二成像光路相对于主射束的角度谱限界于+/-10°、优选+/-8°、特别优选+/-6°。在此，能利用可视化系统观察的视场角为至少60°、优选甚至为至少70°(例如广角内窥镜)。因此，尤其是可以将广角物镜使用在可视化系统中，该广角物镜位于所述成像光学器件前面并且将所述视场角在图像侧减小到成像射束的小于+/-20°的角度谱、优选减小到成像射束的小于+/-18°的角度谱。

46、通过限界第二成像光路的角度谱，可以限界第二成像光路的成像光路打到第一镜面上的入射角的带宽，从而始终可以确保针对用于(相对于远侧的图像传感器)成像的所有射束的足够高的反射率。因为对于过大的入射角，滤光器清晰度通常大大降低。在使用二向色镜时则这尤其适用，该二向色镜的反射率通常与入射光的入射角强相关。

47、上述成像光学器件尤其可以包括上文提到的多个远侧的透镜组件或所述一个远侧的透镜组件(所述多个远侧的透镜组件或所述一个远侧的透镜组件形成两个光学通道)或由上文提到的多个远侧的透镜组件或所述一个远侧的透镜组件构成。

48、除了负透镜(凹透镜)，广角物镜还可以包括非球面透镜。成像光学器件也可以包括非球面透镜。此外不言而言的是，位于相应的成像光路(从物体直至图像传感器)中的所有透镜都参与成像。

49、本发明现在依据实施例更详细地描述，但并不局限于这些实施例。本发明的其他构造方案可以从下面结合概述、权利要求书和附图对优选实施例的描述中获得。

50、在以下对本发明的不同的优选实施方式的描述中，即使设计或造型不同，但在其功能上相一致的元件都得到相一致的附图标记。