DE3230195A1

DE3230195A1 - Bildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE3230195A1
Application number: DE19823230195
Authority: DE
Inventors: Toshimasa Akagi; Masrau Hachioji Tokyo Iino; Takashi Sendai Mizusaki; Akihiro Hachioji Tokyo Namba; Kimihiko Nishioka; Kunio Tokyo Ohno; Susumu Takahashi; Nobuo Yamashita
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1981-08-14
Filing date: 1982-08-13
Publication date: 1983-03-03
Also published as: JPS5829274A; US4467361A; DE3230195C2

Description

D-8000 MÜNCHEN SCHWEIGF.RSTRASSE 2 1A-56 3^5 telefon: (089)6620 ji

Olympus Optical Company Limited, telegramm: protectpatent

Tokyo, Japan telex: $14070

Beschreibung Bildaufnahmevorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme einer Abbildung eines Objektes mit einem Festkörperbildempfänger, der eine Anzahl von Bildabtastelementen hat, sowie einem optischen System zur Schaffung einer Abbildung des Aufnahmeobjekts des Bildempfängers.

Bildaufnahmevorrichtungen der in Frage stehenden Art werden z.B. in Endoskopen, Fernsehkameras und dgl. verwendet. Bei einer bekannten Bildaufnahmevorrichtung hat der Festkörperbildempfänger bzw. Bildmeßwertgeber flache Gestalt und ist in einer vorherbestimmten Brennebene der Optik angeordnet, so daß die Bildaufnahmevorrichtung kompakt und klein sein kann. Allerdings hat die Optik, z.B. ein Objektiv einen großen Bildwinkel, und im allgemeinen verstärken sich bei größerem Bildwinkel Aberrationen, insbesondere die Bildfeldkrümmung und Verzeichnung. Zur Korrektur derartiger Abbildungsfehler ist vorgeschlagen worden, das Objektiv aus einer größeren Anzahl von Linsenelementen zusammenzusetzen. Das führt dazu, daß das Objektiv groß, schwer und teuer wird, was den Vorteil einer Bildaufnahmevorrichtung dieser Art wieder einschränkt. Insbesondere beim Einbau einer Bildaufnahmevorrichtung in das distale Ende eines Endoskops kann kein großes Objektiv angebracht werden, so daß Abbildungsfehler nicht vollkommen korrigiert werden können.

Das mit einem Endoskop zu untersuchende Objekt hat außerdem eine große Tiefe, und die Abstände verschiedener Punkte des Objekts unterscheiden sich stark voneinander, so daß die beste Brennebene stark gekrümmt und es infolgedessen unmöglich ist, eine Abbildung von guter Qualität bis zum Umfang zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß bei großer Kompaktheit Aberrationen der Optik vollkommen korrigiert werden können, ohne daß dazu eine größere Anzahl Linsenelemente nötig ist.

Eine diese Aufgabe lösende Vorrichtung ist mit ihren vorteilhaften Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Der Bildmeßwertgeber bzw. Bildempfänger ist in der Bildaufnahmevorrichtung so gekrümmt, daß die jeweiligen Bildabtastelemente auf einer gekrümmten Fläche liegen, auf der die Abbildung des Objekts geschaffen wird.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Bildempfänger eine Krümmung, die der Bildfeldkrümmung der Optik entspricht.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Bereiche von Bildabtastelementen des Bildempfängers so geändert, daß die Verzeichnung des optischen Systems korrigiert ist.

Der Festkörperbildempfänger kann von einer Photodiodenreihe, einer ladungsgekoppelten Vorrichtung, einer Eimerkettenschaltung, einem Metalloxid-Halbleitersensor (MOS-Sensor) und einem elektrostatisch beeinflußbaren Bildsensor (SIT - Static Induction Transistor) gebildet sein. Von diesen Bildmeßwertgebern oder Sensoren bzw. Bildempfängern ist der SIT-BiId-

-SS-

empfänger am besten geeignet, weil er verschiedene überragende Eigenschaften hat, wie einen hohen Eingangswiderstand, Proportionalität zwischen Strom und Spannung ohne Sättigungserscheinungen, große Verstärkung, geringe Verzerrung und wenig Rauschen.

Der Festkörperbildempfänger gemäß der Erfindung ist, wie gesagt, so gekrümmt, daß die Aberrationen der Abbildungsoptik und/oder unterschiedliche Objektentfernungen korrigierbar sind, so daß ein Bild von hoher Qualität erhalten wird. Vorzugsweise wird zwar ein SIT-Bildempfänger benutzt, jedoch können auch beliebige andere Festkörperbildempfänger, z.B. eine Photodiodenreihe, eine ladungsgekoppelte Vorrichtung, eine Eimerkettenschaltung oder ein MOS-Bildfühler vorgesehen sein.

Die durch die Abbildungsoptik hervorgerufenen Aberrationen können wirksam dadurch vermieden werden, daß der Festkörperbildempfänger entsprechend der besten Brennebene des optischen Systems gestaltet wird. Ferner kann auch die unterschiedliche Objektentfernung durch entsprechende Krümmung des Bildempfängers ausgeglichen werden. Da es nicht nötig ist, die Anzahl Linsenelemente zu erhöhen, um die Abbildungsfehler auszugleichen, kann das optische System kompakt, klein und leicht sein. Ferner kann der Bildmeßwertgeber zu einer Gestalt gekrümmt werden, die dem Hauptkörper, der ihn aufnimmt, angepaßt ist, wodurch die gesamte Konstruktion sehr viel kleiner wird.

Im Folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt«

Fig. IA und IB einen Querschnitt bzw. eine entsprechende Schaltung eines Ausführungsbeispiels eines Bildab-

tastelements eines SIT-Bildempfängers;

Fig. 2A bis 2E Signalwellenformen zur Erläuterung des Betriebs des SIT-BiIdempfängers;

Fig. 3 ein Schema eines Ausführungsbeispiels der Bildaufnahmevorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 4 und 5 Draufsichten auf zwei Ausführungsbeispiele eines SIT-Bildempfängers gemäß der Erfindung;

Fig. 6 ein Schema eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtungj

Fig. 7» 8 und 9 Querschnitte durch drei Ausführungsbeispiele einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß der Erfindung mit einer sphärischen Linse;

Fig. 10 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung in einem Spiegelsystem nach Schmidt»

Fig. 11 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung in einem Endoskop für Direktbeobachtung;

Fig. 12 eine teilweise weggeschnitten gezeigte perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung in einem Endoskop zur seitlichen Beobachtung;

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Bildempfängers für das Endoskop gemäß Fig. 12.

In Fig. IA und IB ist ein Ausführungsbeispiel eines Bildabtastelements oder einer Einheitszelle eines SIT-Bildempfängers für die erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung gezeigt. Die Abtastzelle weist hauptsächlich einen elektrostatisch beeinflußbaren Metalloxidhalbleitertransistor SIT 1 zum Ablesen von Informationen sowie einen Phototransistor 2 auf. Die Bildabtastzelle ist bei diesem Ausführungsbeispiel für Oberflächenbestrahlung mit Verstärkerfunktion ausgelegt und hat einen n⁺-p-Übergang in Form von Schwebezonen. Der SIT 1 und der Phototransistor 2 sind auf einem p-Halbleitersubstrat k ge-

bildet, welches von einem Isolierbereich 3 umgeben ist. Der Phototransistor 2 ist mit einer Emitterschwebezone ausgebildet und hat eine transparente öberflachenelektrode 5» eine η -Oberflächenschicht 6, eine p~-Schicht 7ρ eine p-Schwebezone 8 und eine η -Schwebezone 9 ρ welche den Emitter des Phototransistors 2 bildet und mit einer Drainelektrode 11 des SIT 1 zur Ausgabe verbunden ist. Auf die Drainelektrode 11 ist unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht 12 eine leitfähige Schicht 13 aufgetragen. Diese drei Schichten aus Drainelektrode 11, Isolierschicht 12 und leitfähiger Schicht 13 bilden eine Speicherkapazität C . Der η -Schwebezone 9 benachbart ist auf dem SIT 1 eine Gatezone 14 (p-Kanal) ausgebildet, auf der ein Gate-Oxidfilm 15 und danach eine Gateelektrode l6 angeordnet ist. Der p-Kanal-Gatezone 14 benachbart ist eine η -Sourcezone 1? ausgebildet, mit der eine Sourceelektrode 18 verbunden ist. Die Drainelektrode 11, die leitfähige Schicht 13, die Gateelektrode 16 und die Sourceelektrode 18 sind mittels einer Isolierschicht 19 gegeneinander isoliert, und die Drainelektrode 11 des SIT 1, die leitfähige Schicht 13 und der Phototransistor 2 sind mittels einer Isolierschicht 20 im Verhältnis zueinander isoliert.

Bei dem vorstehend beschriebenen SIT-Bildabtastelement wird an die transparente Oberflächenelektrode 5 des Phototransistors 2 eine positive Vorspannung V_(+) angelegt, die ausreicht, um in der p~-Schicht einen Verarmungsbereich hervorzurufen. Ferner ist mit der Gateelektrode 16 des SIT 1 eine Wortleitung 21 verbunden, die ein Signal zur Ausgabe einer in der Speicherkapazität C_ gespeicherten Spannung führt, während mit der Sourceelektrode 18 eine Bitleitung 22 zum Ableiten der Ausgabespannung verbunden ist.

Die Arbeitsweise des SIT-Bildabtastelements soll anhand von Fig. 2A bis 2E näher erläutert werden.

Wenn Licht hv auf die transparente Oberflächenelektrode 5

auffällt, während eine ausreichende Vorspannung V (+) an dieser anliegt, wie Fig. 2A zeigt, werden Elektronen-Loch-Paare erregt. Die Elektronen dieser Paare werden sofort in der η -Oberflächenschicht 6 absorbiert, und die Löcher werden von einem starken elektrischen Feld über die p~-Schicht 7 hinweg beschleunigt und fliegen in die p-Schwebezone 8, welche positiv elektrifiziert ist, wie die Kurve V (t) in Fig. 2B zeigt. Wenn die p-Schwebezone 8 positiv elektrifiziert ist, wird der p-n-übergang zwischen der p-Schwebezone 8 und der η -Schwebezone 9 vorwärts vorgespannt. Dann werden die Elektronen von der η -Schwebezone 9 in die p-Schwebezone 8 injiziert und gelangen durch die p-Schwebezone 8 hindurch, um durch die p~-Schicht 7 mit hohem Widerstand zu driften und schließlich in der η -oberflächenschicht 6 absorbiert zu werden. Es fliegen also Elektronen aus der η -Schwebezone 9ι die dann in diesem Bereich fehlen. Das führt dazu, daß die η Schwebezone 9 positiv geladen wird, wie die Kurve V(t) in Fig. 2C zeigt.

Das Ladepotential gemäß der Kurve V (t) der η -Schwebezone kann, sofern die p-Schwebezone 8 als ausreichend dünn betrachtet werden kann, wie folgt ausgedrückt werden»

• t (1)

worin C_f = die Kapazität der p-Schwebezone 8, q = eine Ladungseinheit, ε = die Photonendichte und c = die Lichtgeschwindigkeit. Aus der obigen Gleichung (1) ist ersichtlich, daß das Potential gemäß Kurve V_n(t) proportional zur einfallenden Lichtmenge und zur Belichtungszeit t, aber umgekehrt proportional zur Kapazität C^ ist. Wenn also die Kapazität C~ der p-Schwebezone 8 klein ist, kann bei Injektion einer kleinen Lochmenge eine starke Spannungsänderung erhalten werden, und die Empfindlichkeit ist außerordentlich groß. Es sei noch erwähnt, daß die mit der η -Schwebezone 9 verbundene

Speicherkapazität C den Spannungswert in der n -Schwebezone

9 nicht wesentlich beeinflußt, weil die Elektronen aus der η -Schwebezone 9 fliegen, bis der schwebende η -p-Übergang unabhängig von C_ in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, weil die Verstärkung hakenartig ist.

Im Gegensatz dazu läßt sich bei dem bekannten MOS-Bildempfänger das Potential im Speicherbereich durch folgende Gleichung (2) ausdrücken»

(2)

Der SIT-Bildempfanger hat also eine C /c_f mal höhere Empfindlichkeit als der MOS-Bildempfänger. Da für die Kapazität C_f ohne weiteres ein kleiner Wert gewählt werden kann, läßt sich C /Cf. ohne weiteres bis zu 10 bis 100 erhöhen.

Die Ausgabe des SIT-Bildempfängers kann löschend oder nichtlöschend sein. Bei nichtlöschender Ausgabe wird der SIT 1 dadurch leitfähig gemacht, daß an sein Gate über die Wortleitung 21 ein Impuls V_G(t) gemäß Fig. 2D angelegt wird. Wenn der SIT 1 leitend ist, wird das positive Potential V (t) der η -Schwebezone 9 einmal erniedrigt, wie Fig. 2C zeigt, weil Elektronen aus dem Sourcebereich 17 über den p-Kanal-Gatebereich 14 in die η -Schwebezone 9 fliegen. Damit erniedrigt sich das Potential V (t) in der p-Schwebezone 8, wie Fig. 2B zeigt, so daß der schwebende η -p-Übergang tief in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Die in die η -Schwebezone 9 fliegenden Elektronen werden folglich sofort in die p~-Schicht 7 mit hohem Widerstandswert injiziert. So kann unabhängig von Streukapazität Cg der Bitleitung 22 eine Ausgabespannung V^ gemäß Fig. 2E erhalten werden. Hierbei erniedrigt sich das Potential V (t) in der η -Schwebezone 9 einmal, wird jedoch wieder erhöht, so daß die Ausgabe nichtlöschend erfolgen kann.

Der SIT-Bildempfänger hat folgende überragende Eigenschaften«

1.) Da der elektrostatisch "beeinflußbare Transistor Proportionalität zwischen Strom und Spannung ohne Sättigungserscheinungen von guter Linearität aufweist, kann die Ausgabespannung im Vergleich zu der in der Speicherkapazität C gespeicherten Spannung in analoger Weise über einen sehr weiten Bereich hinweg linear geändert werden. Damit ist ein seht breiter dynamischer Bereich erzielbar.

2.) Da der SIT-Bildempfänger eine hohe Integrationsdichte hat, kann der öberflächenbereich der entsprechenden Elemente sehr klein sein, so daß eine stark verbesserte Auflösung erzielbar ist.

3.) Die Ausgabe kann löschend und nichtlöschend erfolgen.

4.) Da eine sehr große Verstärkung erreicht wird, ist eine Lichtwahrnehmung mit hoher Empfindlichkeit möglieh, und es kann selbst bei geringer einfallender Lichtmenge ein großes Signal abgeleitet werden.

5.) Da die entsprechenden Abtastelemente unabhängig voneinander antreibbar sind, ist ein sogenannter wahlfreier Zugriff möglich. Ferner kann die Empfindlichkeit der entsprechenden Abtastelemente unabhängig voneinander eingestellt werden.

6.) Da die Mobilität der Elektronen im Kanal groß ist, kann die Eingabe und Ausgabe mit hoher Geschwindigkeit erfolgen.

7.) Im gemeinsamen Halbleitersubstrat können mit der Speicherkapazität C verbundene elektrostatisch beeinflußbare Transistoren zur Wiederholung oder Auffrischung gebildet sein, und die Speicherkapazität CL kann ohne weiteres durch wahlweisen Antrieb eines solchen Wiederholungs-SIT aufgefrischt werden.

Der oben beschriebene SIT-Bildempfänger kann mit Vorteil in der erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung verwendet werden.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß der Erfindung schematisch dargestellt, die im distalen Ende eines Mantels JQ eines Endoskops angeordnet ist, welches zur Beleuchtung eines zu untersuchenden Objekts eine Beieuchtungsoptik 31 aufweist. Von dem Objekt reflektiertes Licht gelangt durch ein transparentes Glasfenster 32 in den Mantel 30, und die Abbildung des Objekts wird mittels einer Blende 33 und einer Abbildungsoptik 34 auf einem SIT-BiIdempfanger 35 geschaffen. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Abbildungsoptik Jh aus einem Objektiv mit einer Vielzahl konvexer Linsen. Ein vom SIT-Bildempfanger JS abgeleitetes Abbildungssignal gelangt über eine Verarbeitungsschaltung J6 an einen Monitor 37» der die Abbildung des Objekts wiedergibt.

Wenn die Abbildungsoptik Jk aus η konvexen Linsenelementen gebildet ist, kann die Petzval-Summe durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt werden ι

Σ jfe- (3)

I=I¹¹

"fc Ptl

worin f. und n. Brennweite bzw. Brechzahl des i Linsenelements sind. Diese Petzval-Summe ist immer positiv, so daß eine sehr starke Bildfeldkrümmung erzeugt wird. Aus diesem Grund war es bisher sehr schwierig, den Bildwinkel auf mehr als 90° zu erhöhen. Aber bei einem Endoskop sollte der Bildwinkel immer so groß wie möglich sein.

Die aus η Linsenelementen zusammengesetzte Abbildungsoptik Jh hat einen Bildfeldkrümmungsradius R, der durch folgende Gleichung (4) ausgedrückt werden kannι

_R =

/3

worin f. und n. die Brennweite bzw. Brechzahl der j ⁿ Linse sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der SIT-Bildempfänger 35 nicht flach sondern so gekrümmt, daß er eine kugelförmige Oberfläche entsprechend der Bildfeldkrümmung hat. Mit anderen Worten, diese kugelförmige Oberfläche hat einen Radius, der im wesentlichen dem durch die obige Gleichung (^) festgelegten Radius R entspricht, wobei Aberrationen wie Koma berücksichtigt sind. Dank dieser Konstruktion kann die Bildfeldkrümmung, Koma und dgl. wirksam ausgeschaltet und eine, scharfe Abbildung bis zum Umfang erzielt werden. Es ist also auf einfache Weise möglich, eine Bildaufnahmevorrichtung von kleiner Größe aber mit großem Bildwinkel von mehr als 90° zu konstruieren.

Wenn die Abbildungsoptik 3^ aus einem Objektiv mit weitem Bildwinkel besteht, wie Fig. 3 zeigt, entsteht im allgemeinen eine negative Verzeichnung, und die Abbildung wird am Umfang des Sehfeldes kleiner als im mittleren Bereich, was insgesamt zu einer Verringerung der Auflösung führt. Um eine solche Verzerrung zu vermeiden, kann der gekrümmte SIT-Bildempfänger so gestaltet sein, daß die öberflächenbereiche der Bildabtastelemente von der Mitte zum Umfang allmählich kleiner werden. In Fig. U- und 5 sind zwei Ausführungsbeispiele eines solchen SIT-Bildempfängers gemäß der Erfindung in Draufsicht gezeigt. Gemäß Fig. k weist der SIT-Bildempfänger 35A kreisförmige Bildabtastelemente 35a auf, deren Oberflächenbereiche zum Umfang des Bildempfängers 35A hin allmählich abnehmen. Gemäß Fig. 5 weist der SIT-Bildempfänger 35B eine Anzahl rechteckiger Bildabtastelemente 35*> auf, die den größten Öberflächenbereich in der Mitte und den kleinsten Oberflächenbereich am Umfang haben. Obwohl aus Fig. k und 5 die Krümmung der SIT-Bildempfänger 35A und35B nicht hervorgeht, haben diese eine kugelförmige Oberfläche entsprechend der Bild« feldkrümmung, wie oben erwähnt.

Das in Fig. 6 gezeigte Ausführungsbeispiel einer Bildaufnahmevorrichtung weist ein Objektiv 3*fA auf, welches aus einer konvexen Linse 3^a und einer konkaven Linse 3^b besteht. Hier erfährt der hauptsächliche Lichtstrahl, der durch eine Blende 33 einfällt, eine von der Farbe abhängige^unterschiedliche Brechung. So schneiden sich z.B. ein roter Hauptlichtstrahl L₀ und ein blauer Hauptlichtstrahl L_n in einem Punkt P, der

K x5

vor einer Gauß'sehen Ebene 38 liegt, so daß eine chromatische Vergrößerungsaberration auftritt. Wenn in diesem Fall der SIT-Bildempfänger so gekrümmt ist, daß er einer gekrümmten Oberfläche 39 entspricht, die den Schnittpunkt P enthält, kann die chromatische Yergrößerungsaberration wirksam vermieden werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß Fig. 7 ist eine Abbildungsoptik mit einer Blende ko und einer sphärischen Linse kl vorgesehen, und ein SIT-BiIdempfänger kZ hat eine kugelförmige Oberfläche, die mit der sphärischen Linse kl konzentrisch ist. Die sphärische Linse kl besteht aus zwei konzentrischen Linsenelementen 4la und 4lb mit Brechzahlen η bzw. ru und Abbeschen Zahlen ν bzw. v. , die folgende Bedingungen erfüllen:

ⁿa > ⁿb» ^va « ^vb

Da bei diesem Ausführungsbeispiel die sphärische Linse kl als Abbildungsoptik dient, können Komaaberrationen von Anfang an vermieden werden. Da außerdem der SIT-BiIdempfänger kZ eine kugelförmige Oberfläche hat, die mit der sphärischen Linse kl konzentrisch ist, kann die Bildfeldkrümmung vollkommen ausgeschaltet werden. Da außerdem die sphärische Linse kl von Linsenelementen 4la und kl\> gebildet ist, die die obige Gleichung (5) erfüllen, können sphärische und chromatische Abbildungsfehler wirksam korrigiert werden.

Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 die sphärische Linse 41 von zwei konzentrischen Linsen 4la und 4-lb ge-

is-

- abbildet ist, sieht das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 eine sphärische Linse 4la vor, die aus einer einzigen, inhomogenen, sphärischen Linse besteht, deren Brechzahl zur Mitte der Linse hin allmählich kleiner wird, während die Abbesche Zahl zum Umfang der Linse hin allmählich kleiner wird. Es sei noch erwähnt, daß der SIT-Bildempfanger 42 eine kugelförmige Oberfläche hat, die mit der sphärischen Linse 4la konzentrisch ist.

Da bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 7 und 8 die Bildaufnahmevorrichtung aus einer Kombination einer sphärischen Linse *H und eines sphärischen SIT-Bildempfangers hZ besteht, hat die Bildaufnahmevorrichtung einen sehr einfachen Aufbau und läßt sich ohne weiteres an den verschiedensten Instrumenten und Geräten verwenden.

Bei dem in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein sphärischer SIT-Bildempfänger 42A mit einem sphärischen Glied 51 aus transparentem Material, wie Glas oder Kunststoff zu einem kompletten, kugelförmigen Körper 52 vereinigt. Innerhalb des kugelförmigen Körpers 52 ist eine Abbildungsoptik angeordnet, die eine Blende ^O und eine sphärische Linse *Ha aufweist, welche der inhomogenen sphärischen Linse 4la gemäß Fig. 8 ähnelt. Wie Fig. 9 zeigt, ist die sphärische Linse 4la von der mit dem kugelförmigen Körper 52 gekoppelten Blende 4-0 abgestützt. Der kugelförmige Körper 52 ist von einem aus durchsichtigem Werkstoff hergestellten Halter 53 drehbar abgestützt. Durch Drehen des kugelförmigen Körpers 52 im Halter 53 in alle Richtungen können Abbildungen von Objekten rund um die Vorrichtung herum abgetastet werden. Natürlich sind Abbildungsfehler bei der Vorrichtung gemäß Fig. 9 vollkommen ausgeschaltet.

Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem optischen System nach Schmidt. Bei diesem Ausführungsbeispiel

weist die Optik 63 nach Schmidt einen Hauptspiegel 6l, dessen Krümmungsradius Γ ist, sowie eine Korrekturplatte 62 auf. Längs der Brennebene ist ein gekrümmter Bildempfänger 6k mit einem Krümmungsradius r, welcher dem Krümmungsradius r des Hauptspiegels 6l entspricht, angeordnet. Das bedeutet, daß der SIT-Bildempfanger Sk konvex zum Hauptspiegel 6l hin gekrümmt ist. Diese Konstruktion ermöglicht ein wirksames Ausschalten von Abbildungsfehlern, und die Abbildung des Objekts kann ohne Wechsel von Filmen oder photographischen Platten erhalten werden. Da ein SI T-Bildempf anger 6k von sehr hoher Empfindlichkeit vorgesehen ist, können Abbildungen selbst dann klar erfaßt werden, wenn das einfallende Licht schwach ist. Diese Bildaufnahmevorrichtung eignet sich deshalb besonders gut für astronomische Beobachtungen.

Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Verwendung in einem Endoskop für die Direktbeobachtung, bei dem eine Abbildung eines Objekts 71 mittels eines im distalen Ende eines flexiblen Mantels 70 angebrachten, transparenten Glasfensters ?2, einer Blende 73 und einer aus drei Linsenelementen zusammengesetzten Abbildungsoptik 7^ auf einem gekrümmten SIT-Bildempfanger 7$ geschaffen wird. Das Endoskop wird ganz allgemein zur Beobachtung der Innenwände von rohrförmigen Körpern, wie Rohrleitungen und verschiedenen schlauchartigen Organen des menschlichen Körpers benutzt. Hierbei muß ein Objekt 71 von großer Tiefe abgebildet werden. Ein Punkt Q des Objektes 71i der am Umfang des Bildfeldes liegt, hat einen kürzeren Abstand als ein Punkt S, der in der Nähe der Mitte des Bildfeldes liegt, so daß die Abbildung des Punktes Q in einem Punkt Q' erfolgt, der von einer letzten Linsenoberfläche 7^a entfernt ist, während die Abbildung des Punktes S in einem Punkt S¹ erfolgt, der der letzten Linsenoberfläche 7^a näher liegt. Deshalb ist bei diesem Ausführungsbeispiel der SIT-Bildempfänger 75 konvex zur Optik 7^ hin gekrümmt und liegt damit auf einer gekrümmten Oberfläche, auf der die fokussierte Abbildung des Objektes 7I geschaffen wird. Mit

dieser Konstruktion wird ein scharfeingestelltes Bild im ganzen Sehfeld auf dem SIT-Bildempfanger 75 geschaffen, so daß es immer möglich ist, auf dem Monitor ein Bild von ausgezeichneter Qualität zu zeigen.

Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht des Hauptteils eines Endoskops zur seitlichen Beobachtung mit einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung, "bei der die Abbildung eines Objektes mit Hilfe eines transparenten, halbzylindrischen Gliedes 80 und eines Objektivs 81 auf einem gekrümmten SIT-Bildempfänger 82 geschaffen wird. Bei einem Endoskop zur seitlichen Betrachtung hat das Objektiv 81 eine zylindrische Abbildungsebene wegen der unterschiedlichen Objektabstände. Deshalb ist der SIT-Bildempfanger 82 entsprechend zylindrisch geformt. Wie Fig. 12 zeigt, kann der zylindrisch gekrümmte SIT-Bildempfänger 82 zum Mantel des Endoskops konzentrisch sein, was den Einbau eines verhältnismäßig großen Bildempfängers in den Mantel ermöglicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel können also nicht nur Abbildungsfehler und unterschiedliche Objektabstände wirksam beseitigt werden, sondern es kann auch das Endoskop insgesamt viel kleiner sein.

Fig. 13 zeigt perspektivisch ein Ausführungsbeispiel eines gekrümmten SIT-Bildempfängers 91 zur vorteilhaften Verwendung in einem Endoskop für seitliche Beobachtung. Dieser SIT-Bildempfänger 91 ist torusförmig gekrümmt.

-18* Leerseite

Claims

PATENTANMCAtTE "" " * dr.-inc. pranz vuesthoff

WUESTHOFF-v. PECHMANN-BEHRENS-GOETZ »*■>■» il.preda wuesthopf

DIPL.-ING. GERHARD PULS (1952-1971)

EUROPEANPATENTATTORNEYS DIPU-CHEM-DR-E-PREIHERnVONPECHMANN

DR.-ING. DIETER BEHRENS DIPL.-ING.; DIPL.-TFIRTSCH₁-INg. RUPERT GOETZ

D-8000 MÜNCHEN 90 lA-56 3^5 SCHWEIGERSTRASSE 2

telefon: (089)66 20 ji

Olympus Optical Company Limited, telegram«: protectpatent

Tokyo, Japan _TELEX.

Patentansprüche

fl)j Bildaufnahmevorrichtung mit einem eine Anzahl von Bildabtastelementen aufweisenden Festkörperbildempfänger und einem optischen System zur Schaffung einer Abbildung eines Aufnahmeobjektes auf dem Bildempfänger,

dadurch gekennzeichnet, daß der Bildempfänger so gekrümmt ist, daß die. entsprechenden Bildabtastelemente auf einer gekrümmten Oberfläche liegen, auf der die Abbildung des Objektes geschaffen wird.

2. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzei chnet, daß der Festkörperbildempfänger so gekrümmt ist, daß Aberrationen der Abbildungsoptik korrigiert sind,

3. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperbildempfänger entsprechend der Bildfeldkrümmung der Abbildungsoptik gekrümmt ist.

k. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperbildempfänger entsprechend der chromatischen Vergrößerungsaberration der Abbildungsoptik gekrümmt ist (Fig. 6).

5. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik von einer sphärischen Linse gebildet ist, und daß der

Festkörperbildempfänger zu einer kugelförmigen Oberfläche gekrümmt ist, die mit der sphärischen Linse konzentrisch ist. (Fig. 7, 8, 9).

6. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 5»

dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Linse (41) von zwei konzentrischen sphärischen Linsenelementen (4la, b) gebildet ist, und daß die Brechzahl und die Abbesche Zahl des äußeren sphärischen Linsenelements kleiner bzw. größer gewählt ist als die entsprechenden Zahlen des inneren sphärischen Linsenelements (Fig. 7).

7. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 5»

dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Linse von einer einzigen inhomogenen,sphärischen Linse (4lA) gebildet ist, deren Brechzahl zur Mitte hin allmählich abnimmt und deren Abbesche Zahl zum Umfang hin allmählich abnimmt (Fig. 8).

8. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 5»

dadurch gekennzeichnet, daß der sphärische Festkörperbildempfänger (42A) mit einem sphärischen Glied (51) aus durchsichtigem Werkstoff zu einem kugelförmigen Körper (52) vereinigt ist, der von einem Halter (53) ^aus durchsichtigem Werkstoff drehbar abgestützt ist, und daß die sphärische Linse konzentrisch im Innern des kugelförmigen Körpers angeordnet ist (Fig. 9)·

9. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik ein optisches System nach Schmidt aufweist, welches einen konkaven Hauptspiegel und eine Korrekturplatte aufweist, und daß der Festkörperbildempfänger (64) konvex in Richtung zum konkaven Hauptspiegel gekrümmt ist und eine kugelförmige Oberfläche hat, deren Krümmungsradius dem Krümmungsradius des

konkaven Hauptspiegels entspricht.(Fig. 10).

10. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperbildempfänger so gekrümmt ist, daß die Bildabtastelemente auf einer gekrümmten Oberfläche liegen, auf der die Abbildungen von Punkten mit unterschiedlichen Objektentfernungen geschaffen werden (Fig. 11).

11. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 10,

dadurch g ekennz e ic hnet, daß der FestkÖrperbildempfanger konvex zur Abbildungsoptik hin gekrümmt ist.

12. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperbildempfänger zylindrisch gekrümmt ist (Fig. 12).

13. Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperbildempfänger torusförmig gekrümmt ist (Fig. 13)·

1*K Bildaufnahmevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der gekrümmte Festkörperbildempfänger von einem statisch beeinflußbaren Transistor-Bildempfänger (SIT) gebildet ist.

15. Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis I3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenbereiche der Bildabtastelemente des gekrümmten Festkörperbildempfängers zur Korrektur der Verzerrung der Abbildungsoptik zum Umfang hin allmählich kleiner sind (Fig. b, 5)·