ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭНДОСКОПА Российский патент 2002 года по МПК G02B23/24 

Предлагаемое изобретение относится к области средств неразрушающего контроля. Преимущественной областью применения изобретения являются жесткие промышленные эндоскопы.

Одним из основных показателей качества жестких промышленных эндоскопов является обеспечиваемый ими угол зрения. Особенно большое значение этот показатель приобретает для эндоскопов большой длины, т.е. имеющих длину от 1 метра и более. Это объясняется тем, что увеличение длины эндоскопа и, следовательно, длины его оптической системы, т.е. расстояния между установленным на одном конце эндоскопа объективом и установленным на противоположном его конце окуляром, неизбежно связано с использованием в составе эндоскопа длиннофокусного объектива, и, как следствие последнего, приводит к соответствующему уменьшению углового поля зрения прибора в целом [1]. Для получения большего поля зрения при достаточной длине прибора в состав его оптической системы обычно вводят так называемые линзовые оборачивающие сборки. При этом чем значительнее требуемое удаление между входным и выходным зрачками прибора, т.е. между его объективом и окуляром, тем большее количество оборачивающих сборок требуется установить между объективом и окуляром [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Это не только усложняет и удорожает конструкцию прибора, но и снижает качество создаваемого им изображения, поскольку требует чрезвычайно качественной и не всегда длительно сохраняющейся юстировки всех элементов оптической системы эндоскопа.

Известна оптическая система эндоскопа [7], в которой для улучшения качества изображения рассматриваемых объектов содержащийся в составе системы объектив используется в сочетании со специальным стержневым элементом - световодом и линзой-коллективом. Эта система выполнена по телескопической схеме, которая предусматривает совмещение задней фокальной плоскости объектива с передней фокальной плоскостью окуляра. Поскольку по своему назначению, указанной особенности оптической схемы и составу упомянутая система [7] наиболее близка к заявляемому изобретению, она принята в качестве его прототипа.

Оптическая система-прототип содержит установленные на одной оптической оси объектив, светопроводящий плоскопараллельный стержень, положительную линзу-коллектив и окуляр.

Работа известной системы осуществляется следующим образом.

Световые лучи, исходящие или отраженные от находящегося перед объективом эндоскопа объекта, проходя через объектив, преломляются и, пройдя далее через светопроводящий плоскопараллельный стержень с установленным показателем преломления, образуют вблизи плоской поверхности линзы-коллектива уменьшенное изображение объекта. Плосковыпуклая линза-коллектив обращена своей выпуклой поверхностью к окуляру эндоскопа, обладает положительной оптической силой и, "пригибая" световые лучи от внеосевых точек ближе к оптической оси системы, создает позади себя в своей задней фокальной плоскости изображение рассматриваемого объекта. Задняя фокальная плоскость линзы-коллектива пространственно совмещена с передней фокальной плоскостью окуляра, позади которого и создается рассматриваемое глазом изображение объекта. Благодаря такому построению оптической системы задняя фокальная плоскость объектива, в общем случае относительно короткофокусного и, следовательно, обладающего относительно большим угловым полем зрения, как бы пространственно "транслируется" в направлении к окуляру системы, в результате чего создается возможность увеличения длины системы, т.е. длины эндоскопа, при сохранении неизменным углового поля зрения эндоскопа.

Недостатком известной оптической системы эндоскопа являются все же весьма ограниченные значения ее углового поля зрения и наличие плоскопараллельного стержневого световода. Такой стержень требует высококачественного оптического стекла и дорогостоящей обработки.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение углового поля зрения оптической системы эндоскопа.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в известной оптической системе эндоскопа, содержащей объектив, окуляр и линзу-коллектив, линза-коллектив выполнена отрицательной и установлена со стороны входного зрачка объектива, при этом фокусное расстояние f¹ линзы-коллектива и ее световой диаметр D выбраны удовлетворяющими соотношениям:

D = 2l•tgβ₁+d,
где l - расстояние между главными плоскостями линзы-коллектива и объектива;
2β₁ - угловое поле зрения объектива, d - световой диаметр объектива,
γ - кратность увеличения углового поля зрения объектива.

Благодаря такому выполнению оптической системы эндоскопа ход световых лучей изменяется таким образом, что угловое поле зрения эндоскопа перестает определяться угловым полем зрения используемого в составе эндоскопа объектива, а определяется угловым полем зрения совокупности: объектив - отрицательная линза - коллектив. Поскольку угловое поле зрения последней практически всегда больше углового поля зрения объектива, то тем самым достигается расширение углового поля зрения всей телескопической системы эндоскопа и обеспечивается решение поставленной технической задачи.

В частном случае реализации заявляемого изобретения в состав системы дополнительно введена прямоугольная призма АР-90^o или зеркало, при этом зеркало установлено под углом 90^o к оптической оси системы. Упомянутые призма или зеркало могут быть установлены как со стороны входного зрачка эндоскопа перед отрицательной линзой-коллективом, так и между отрицательной линзой-коллективом и объективом эндоскопа.

Благодаря этому обеспечивается возможность изгиба оптической оси системы для создания эндоскопов непрямого видения.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
фиг.1 - заявляемая оптическая система эндоскопа;
фиг. 2 - заявляемая оптическая система эндоскопа в частном случае реализации при установке зеркала между линзой-коллективом и объективом;
фиг. 3 - заявляемая оптическая система эндоскопа в частном случае реализации при установке зеркала перед линзой-коллективом;
фиг.4 - ход световых лучей в заявляемой оптической системе эндоскопа.

Заявляемая оптическая система эндоскопа содержит отрицательную линзу-коллектив 1, объектив 2 и окуляр 3. В частном случае реализации система дополнительно содержит прямоугольную призму АР-90^o или зеркало (на фиг.2 и фиг.3 показано зеркало) 4.

Для пояснения эффекта расширения угла поля зрения эндоскопа, обусловленного установкой перед его объективом 2 отрицательной линзы-коллектива 1, рассмотрим ход лучей в оптической системе эндоскопа без использования в его составе отрицательной линзы (фиг.4 - тонкие линии) и проведем его сравнение с ходом лучей в этой же системе с отрицательной линзой-коллективом (фиг.4 - линии двойной толщины). На фиг.4 перечисленные выше составные элементы оптической системы показаны их главными плоскостями, обозначенными теми же порядковыми номерами, что и сами элементы на фиг.1. Главная плоскость отрицательной линзы-коллектива 1 находится на расстоянии l от главной плоскости объектива 2. Как и в любой известной телескопической системе задний фокус F¹ _об объектива 2 совмещен с передним фокусом F_ок окуляра 3.

Вначале рассмотрим ход лучей в системе, не содержащей отрицательной линзы-коллектива и имеющей угловое поле зрения 2β₁. Для этого воспользуемся двумя лучами, один из которых обозначим как PR и направим на объектив 2 параллельно оптической оси системы (на фиг.3 оптическая ось системы показана штрихпунктирной линией), а другой обозначим как KR и направим к ней под углом β₁.
По законам геометрической оптики луч PR, пройдя главную плоскость объектива 2, пройдет далее через его задний фокус F^1об в направлении RS и далее выйдет через окуляр 3 в направлении ST, параллельном оптической оси системы.

Для построения хода луча KR после его преломления объективом 2 проведем два вспомогательных луча, показанных на фиг.3 точечными линиями: луч LGW, параллельный лучу KR и проходящий через узловую точку G объектива 2 до пересечения с плоскостью 5 заднего фокуса объектива 2, и луч WZ, проходящий через упомянутую точку пересечения луча LGW с плоскостью 5 и узловую точку Z окуляра 3. Тогда ход луча KR после его преломления объективом 2 определится направлением RWV и далее направлением VT, параллельным вспомогательному лучу WZ. Точка Т, являющаяся пересечением лучей ST и VT, определяет положение и диаметр выходного зрачка телескопической системы эндоскопа, имеющей угловое поле зрения 2β₁ и не содержащей отрицательной линзы-коллектива.

Разместим теперь в телескопической системе эндоскопа отрицательную линзу-коллектив 3, установив ее на расстоянии l перед главной плоскостью объектива 2, и рассмотрим картину хода лучей в такой измененной системе. Будем считать, что линза 3 имеет фокусное расстояние f¹ и ее передняя и задняя фокальные плоскости 6 и 7 соответственно расположены так, как это показано на фиг. 3. Для упрощения анализа картины прохождение лучей будем рассматривать в обратном ходе. Т. е. будем считать, что луч KR двигается теперь в обратном направлении, в связи с чем будем называть его лучом RK.

После преломления линзой 1 луч RK выйдет из нее в направлении KJ, которое определяется как параллельное вспомогательному лучу СМ, проходящему через узловую точку М линзы 1 и точку С, лежащую на пересечении продолжения луча RK с задней фокальной плоскостью 7 линзы 1. Соответственно, луч RP, обратный упоминавшемуся ранее параллельному оптической оси системы лучу PR, после его преломления линзой 1 выйдет из нее в направлении PQ, которое определится как продолжение вспомогательного луча PF, проходящего через точку Р и передний фокус F линзы 1.

Легко видеть, что луч KJ образует с оптической осью системы угол β₂. Этот угол является половинным значением углового поля зрения телескопической системы с установленной перед ее объективом 2 отрицательной линзой 1. Поскольку угол β₂ больше угла β₁, то очевидно, что угловое поле зрения предлагаемой телескопической системы больше углового поля зрения известной телескопической системы. Соответствующие геометрические построения и расчеты, выполненные с использованием показанной на фиг.3 картины хода лучей в предлагаемой телескопической системе, позволяют определить необходимые оптические характеристики используемой в системе отрицательной линзы-коллектива. Они должны составлять:
- фокусное расстояние f¹:

где l - расстояние между главными плоскостями линзы-коллектива и объектива,
2β₁ - угловое поле зрения объектива,
d - световой диаметр объектива,
γ - кратность увеличения углового поля зрения объектива.

- световой диаметр D:
D = 2l•tgβ₁+d,
где все входящие аргументы те же, что указаны выше.

Рассмотренная выше картина хода лучей в эндоскопе соответствует построению его телескопической системы как известной системы Кеплера, в связи с чем в ней будет формироваться перевернутое изображение объекта. При необходимости, для получения прямого изображения объекта телескопическая система эндоскопа должна быть построена как не менее известная система Галилея или между объективом и окуляром должна быть установлена классическая оборачивающая система. В обоих случаях предложенная совокупность признаков оптической системы эндоскопа обеспечивает решение поставленной технической задачи расширения его углового поля зрения.

Предложенная оптическая система была реализована в виде макета жесткого эндоскопа. До введения в состав эндоскопа отрицательной линзы-коллектива угловое поле зрения эндоскопа составляло 1,5^o. После установки перед объективом эндоскопа отрицательной линзы-коллектива с фокусным расстоянием (-100) мм и световым диаметром 20 мм угловое поле зрения эндоскопа составило 11^o. Полученный результат подтверждает работоспособность предложенного технического решения.

Источники информации
1. М.М.Русинов. Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение, 1989.

2. А.с. СССР 909655, кл. 6 G 02 В 23/00.

3. Патент ФРГ 3535028, кл. 6 G 02 В 23/24.

4. Патент США 5632718, кл. 6 G 02 В 23/24.

5. Патент США 5568312, кл. 6 G 02 В 23/24.

6. Патент Франции 2552892, кл. 6 А 61 В 1/00.

7. А.с. СССР 1402336, кл. 6 А 61 В 1/00 (прототип).

Оптическая система эндоскопа содержит объектив, окуляр и отрицательную линзу-коллектив. Система построена по телескопической схеме, при этом отрицательная линза-коллектив установлена перед объективом. Фокусное расстояние и световой диаметр линзы-коллектива выбраны отвечающими соотношениям, указанным в формуле изобретения. Обеспечивается расширение углового поля зрения эндоскопа, что позволяет использовать в составе эндоскопа длиннофокусный объектив и тем самым увеличить длину эндоскопа. В состав телескопической системы эндоскопа может быть включена призма или зеркало, чем обеспечивается возможность изменения направления обзора. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Оптическая система эндоскопа, содержащая объектив, окуляр и линзу-коллектив, отличающаяся тем, что линза-коллектив выполнена отрицательной и установлена со стороны входного зрачка объектива, при этом фокусное расстояние f¹ линзы-коллектива и ее световой диаметр D выбраны удовлетворяющими соотношениям:

D = 2l•tgβ₁+d,
где l - расстояние между главными плоскостями линзы-коллектива и объектива;
2β₁ - угловое поле зрения объектива;
d - световой диаметр объектива;
γ - кратность увеличения углового поля зрения объектива. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в состав системы дополнительно введена прямоугольная призма АР-90^o или зеркало, при этом зеркало установлено под углом 90^o к оптической оси системы.