DE102014103169A1

DE102014103169A1 - Optische Vorrichtung und optisches System

Info

Publication number: DE102014103169A1
Application number: DE102014103169.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Kelp; Timo Mayer; Heinz Lehr
Original assignee: Technische Universitaet Berlin
Current assignee: Technische Universitaet Berlin
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2015-09-10

Abstract

Die Anmeldung betrifft eine optische Vorrichtung, mit einem Gehäuse (1; 1a, 1b), in welchem optische Kanäle voneinander getrennt gebildet sind, einem optischen Bauteil (9a), welches in dem Gehäuse (1; 1a, 1b) verlagerbar und in einem der optischen Kanäle angeordnet ist, einem weiteren optischen Bauteil (9b), welches in dem Gehäuse (1; 1a, 1b) verlagerbar und in einem weiteren der optischen Kanäle angeordnet ist, und einer Verlagerungseinrichtung, die eingerichtet ist, das optische Bauteil sowie das weitere optische Bauteil (9a, 9b) in dem Gehäuse (1; 1a, 1b) zu verlagern. Weiterhin betrifft die Anmeldung ein optisches System, mit einer optischen Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung und ein optisches System.
Hintergrund
Optische Vorrichtungen und Systeme finden zum Beispiel in Videokameras Anwendung, die zur Aufnahme von zum Teil bewegten Bildern verwendet werden. Für Film und Fernsehen sind sie nicht mehr wegzudenken, doch auch in Medizin und Technik, sowie im privaten Gebrauch werden Kameras häufig eingesetzt. Endoskope und Mikroskope werden für medizinische und technische Anwendungen zum Sichtbarmachen eines Hohlraums oder zur vergrößerten Abbildung eines Arbeitsbereichs erfolgreich eingesetzt.
Bekannt sind beispielweise optische Vorrichtungen, die über einen optischen Kanal verfügen. Um optischen Komponenten oder Bauteile in dem optischen Kanal entlang dem Strahlengang zu verlagern, wurde eine magnetische Verstellvorrichtung vorgeschlagen (vgl. US 7,125,378 B2 , DE 602 24 317 T2 ).
Neben konventionellen Mikroskopen und Endoskopen, die nur einen einzigen optischen Kanal aufweisen, verfügen Stereoendoskope und -mikroskope häufig über zwei voneinander unabhängige Betrachtungskanäle, wodurch dem Chirurgen das räumliche Sehen ermöglicht wird. Die stereovisuelle Kontrolle bringt besonders bei komplexen Operationen und räumlichen Manipulationen einen signifikanten Gewinn an Sicherheit und Arbeitsgeschwindigkeit, so dass eventuell auftretende Komplikationen für den Patienten vermieden werden können.
Da der Bediener während des Eingriffs das optische Instrument zu verschiedenen Bereichen führt, ändert sich der Objektabstand zwischen dem distalen Ende des Instruments und dem Objektbereich. Es ist daher eine Verstellmöglichkeit der im Inneren des Instruments befindlichen Fokuslinsen oder Bildaufnehmer erforderlich, um auf dem Monitor ein deutliches Bild zu erhalten. Derartige Einrichtungen bestehen üblicherweise aus wenigstens einer Fokussierlinse, deren Position durch den Bediener während der Behandlung eingestellt werden kann. Die Fokuslinsen der beiden Kanäle könnten miteinander verbunden werden, so dass eine identische translatorische Bewegung stattfindet, um die beiden aufgenommenen Objekte identisch scharf abzubilden.
Nicht nur im medizinischen Bereich werden Stereokameras seit kürzester Zeit vermehrter eingesetzt. Auch für Film und Fernsehen, Wissenschaft und Technik sowie im privaten Gebrauch finden 3D-Kameras immer zahlreicher Verwendung. Oft muss auch hierbei, bei sich ändernden Objektabständen, durch identische Linearbewegung optischer Linsengruppen in beiden Kamerakanälen, eine Scharfstellung des Bildes stattfinden. Zoomobjektive zur Vergrößerung des Bildausschnitts gehören zum Stand der Technik.
Das Dokument EP 0 667 547 B1 offenbart ein Stereoendoskop mit Fixfokuslinsen, bei dem eine Justage der proximalen stereooptischen Einrichtung in der Montagephase des Stereoendoskops möglich ist. Das Gerät erlaubt sowohl den direkten Einblick als auch die Monitor-Betrachtungsweise. Allerdings lässt sich eine Anpassung des optischen Systems an die sich ändernden Objektabstände während eines Eingriffs nicht durchführen, da alle optischen Komponenten starr im Gesamtsystem fixiert sind.
Das Dokument EP 0 332 403 A2 zeigt eine Stereokamera mit gekoppelten Zoomobjektiven. Bei der beschriebenen Stereokamera handelt es sich um ein Paar Videokameras mit jeweils einer Brennweite-Änderungseinrichtung. Zwei getrennte Zoomantriebseinrichtungen, zum Beispiel in Form eines Elektromotors, werden zum Antreiben der Brennweite-Änderungseinrichtungen verwendet. Eine Kopplung der beiden Antriebseinrichtungen erfolgt durch elektrische Ansteuerungssignale. Die synchrone Einstellung der beiden Brennweiten-Änderungseinrichtungen wird ohne jegliche mechanische oder magnetische Kopplung durchgeführt, sondern nur über identische Steuersignale an die beiden Zoomantriebseinrichtungen. Damit beschreibt diese Erfindung die gezielte Steuerung von zwei Antrieben in zwei getrennten Einzelkameras und nicht die Kopplung von Linsenbewegungen in einer Stereokamera.
Im Dokument DE 198 29 645 A1 ist eine Stereokamera mit gekoppelt beweglichen Objektivträgern zur Einstellung der Position der Objektive bei sich änderndem Objektabstand beschrieben. Dabei werden die beiden Objektive über eine komplizierte Kinematik, bestehend aus Gelenken und Hebeln mechanisch gekoppelt bewegt. Die beiden optischen Linsengruppen des rechten und linken Kanals der vorliegenden Kamera sind somit mechanisch miteinander verbunden. Dadurch ist es nicht möglich, die optischen Elemente der beiden optischen Kanäle jeweils durch zwei getrennte, abgeschlossene Gehäuse zu schützen.
Das Dokument US 7,101,334 B2 offenbart ein optisches System für die 3D-Anwendung. Das Linsensystem beinhaltet distal nur einen optischen Kanal zur Aufnahme des Bilds. Mit Hilfe eines drehbaren Polarisationsfilters wird eine Aufspaltung des einfallenden Bildes ermöglicht. Durch die Bildkanaltrennung werden zwei sequentiell aufgenommene Teilbilder erzeugt, die zusammengeführt zu einem Stereobild einen 3D-Eindruck hervorrufen. In dem distalen Einkanalsystem wird mittels Drehung einer Linsenfassung, die mechanisch im Eingriff mit dem äußeren Gehäuse ist, eine Linearbewegung von optischen Linsen erzeugt, wodurch ein Nachfokussieren möglich wird. Diese Einstellung wird manuell über die Bewegung eines Drahts im Endoskopschaft am proximalen Ende ausgeführt.
Zusammenfassung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine optische Vorrichtung und ein optisches System anzugeben, bei denen im Betrieb zum Einstellen optischer Eigenschaften mehrere optische Bauteile oder Komponenten, die in einem Gehäuse angeordnet und unterschiedlichen optischen Kanälen zugeordnet sind, auf einfache und zuverlässige Weise gekoppelt verlagerbar sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 1 und ein optisches System nach dem unabhängigen Anspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt ist eine optische Vorrichtung geschaffen, die ein Gehäuse aufweist, in welchem optische Kanäle getrennt voneinander gebildet sind. Beispielsweise kann sich der optische Kanal jeweils zwischen einem Eintrittsfenster, durch welches Lichtstrahlen in das Gehäuse gelangen, und einen Bildaufnehmer erstrecken, auf dem eine optische Abbildung erfolgt. Im jeweiligen optischen Kanal ist ein optisches Bauteil, welches auch als optische Komponente bezeichnet werden kann, angeordnet. Die optischen Bauteile sind in dem Gehäuse verlagerbar aufgenommen. Hierzu ist eine Verlagerungseinrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist, die optischen Bauteile in dem Gehäuse zu verlagern, insbesondere zum Einstellen einer oder mehrerer Eigenschaften des optischen Strahlenganges des jeweiligen optischen Kanals.
Die Verlagerungseinrichtung weist magnetische Bauteile auf, welche im Gehäuse angeordnet und dem einen und/oder dem weiteren optischen Bauteil zugeordnet sind. Die Zuordnung zwischen den magnetischen Bauteilen und dem jeweiligen optischen Bauteil ist beispielsweise als eine feste Verbindung ausgeführt, derart, dass eine Bewegung des magnetischen Bauteils aufgrund einer hieran angreifenden Kraft gleichzeitig zur Bewegung des optischen Bauteils führt, und umgekehrt. Beispielsweise sind magnetisches Bauteil und optisches Bauteil direkt oder indirekt mechanisch gekoppelt.
Die Verlagerungseinrichtung verfügt weiterhin über ein oder mehrere magnetische Gegenbauteile, welche außerhalb des Gehäuses angeordnet und mittels einer Stelleinrichtung oder Stelleinheit relativ zum Gehäuse verlagerbar sind. Zwischen den magnetischen Bauteilen im Gehäuse und dem einen oder den mehreren magnetischen Gegenbauteilen außerhalb des Gehäuses besteht eine magnetische Kopplung, die zu Reluktanzkräften führt, derart, dass aufgrund einer magnetischen Kopplung zwischen den magnetischen Bauteilen und dem einen oder den mehreren magnetischen Gegenbauteilen eine Relativverlagerung des einen oder der mehreren magnetischen Gegenbauteile in Bezug auf das Gehäuse eine gemeinsame Verlagerung der magnetischen Bauteile und der hiermit jeweils in Verbindung stehenden optischen Bauteile in dem Gehäuse erzwingt. Hierdurch kann in einer möglichen Ausgestaltung eine kontaktfreie Verlagerungseinrichtung gebildet werden, bei der die Reluktanzkräfte zwischen den magnetischen Bauteilen die gekoppelte, wahlweise gleichlaufende Verlagerung der optischen Bauteile im Gehäuse, vorzugsweise entlang und/oder quer zur optischen Achse, bewirkt werden kann, indem das eine oder die mehreren magnetischen Gegenbauteile außerhalb des Gehäuses und relativ hierzu verlagert werden.
Eine (axial) gleichlaufende Bewegung soll insbesondere dann vorliegen, wenn sich die optischen Bauteile im Gehäuse gleichzeitig und gleichschnell bewegen und hierbei zu jedem Zeitpunkt der Bewegung gleiche axiale Relativstellungen einnehmen. Das führt dann bei dieser Ausführung zu gleichen Stellungen am Anfang und am Ende der Verlagerung. Um im Fall eines optischen Stereosystems beide Teilbilder in gleichem Maße nachzustellen, sind die optischen Komponenten, zum Beispiel Linsen oder Linsensysteme, gleichlaufend einzustellen.
Nach einem weiteren Aspekt ist ein optisches System mit einer solchen optischen Vorrichtung geschaffen, die als Stereokamera, insbesondere Stereoendoskop, ausgeführt ist.
Grundsätzlich kann mit Hilfe der Verlagerungseinrichtung, die die magnetische Kupplung zwischen den magnetischen Bauteilen innerhalb und außerhalb des Gehäuses nutzt, eine Bewegung der mehreren optischen Bauteile in beliebige Bewegungsrichtungen relativ zum optischen Strahlengang der optischen Kanäle in dem Gehäuse erzeugt werden. Häufig wird die Bewegung der optischen Bauteile oder Komponenten jedoch längs und/oder quer zum optischen Strahlengang im Gehäuse erfolgen.
Die magnetischen Bauteile und das eine oder die mehreren magnetischen Gegenbauteile können am Beginn der Verlagerungsbewegung, während der Verlagerungsbewegung und/oder am Ende der Verlagerungsbewegung einander gegenüberliegend im Inneren und außerhalb des Gehäuses angeordnet seien, zum Beispiel paarweise.
Das Gehäuse kann als geschlossenes Gehäuse ausgeführt sein, wobei hierbei in einer Ausgestaltung eine gas- oder flüssigkeitsdichte Ausführung des Gehäuseinnenraumes gegenüber der Umgebung vorgesehen sein kann.
Das Gehäuse kann mit voneinander getrennten Teilgehäusen gebildet sein, wobei der optische Kanal sowie das optische Bauteil in einem der Teilgehäuse und der weitere optische Kanal sowie das weitere optische Bauteil in einem weiteren der Teilgehäuse angeordnet sind. Alternativ sind die optischen Kanäle, seien es zwei oder mehr, in einem gemeinsamen Gehäuseinnenraum angeordnet, welcher von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben ist. Die Stelleinrichtung der Verlagerungseinrichtung kann dann zwischen und/oder seitlich der optischen Kanäle gebildet sein. Im Fall der Teilgehäuse können diese in einem gemeinsamen Außengehäuse aufgenommen sein. Eine Gehäuseabdichtung gegenüber der jeweiligen Umgebung kann für die Teilgehäuse und/oder das gemeinsamen Gehäuse und/oder das Außengehäuse vorgesehen sein. Die Stelleinrichtung der Verlagerungseinrichtung kann bei den verschiedenen Ausführungsformen zwischen und/oder seitlich der Teilgehäuse gebildet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass in den optischen Kanälen jeweils ein weiteres optisches Bauteil angeordnet ist, wobei zur gemeinsamen Verlagerung eine weitere Verlagerungseinrichtung vorgesehen ist, die gleichartig zu aber getrennt betreibbar von der Verlagerungseinrichtung gebildet sein kann. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die beiden Verlagerungseinrichtungen gemeinsam angetrieben werden. Die weiteren optischen Bauteile können mittels der Verlagerungseinrichtung in den optischen Kanälen jeweils entlang der optischen Achse verlagerbar sein. So kann beispielweise ein optisches System gebildet werden, insbesondere Stereosystem, bei dem zwei bewegliche Linsengruppen (optische Bauteile) für die Zoomfunktion mittels der Verlagerungseinrichtung bewegt werden und weitere zwei bewegliche Linsengruppen (weitere optische Bauteile) für die Fokusfunktion entlang der optischen Achse bewegt werden. Die zwei jeweils magnetisch an die zugeordneten optischen Bauteile koppelnden Verlagerungseinrichtungen können voneinander unabhängig betrieben werden, um unterschiedliche optische Parameter für das System unabhängig voneinander einzustellen.
Eine Weiterbildung kann vorsehen, dass das optische Bauteil und das weitere optische Bauteil jeweils an einem inneren Trägerbauteil angeordnet sind, welches verlagerbar in dem Gehäuse aufgenommen ist, derart, dass bei der erzwungenen Verlagerung inneres Trägerbauteil und jeweils zugeordnetes optisches Bauteil gemeinsam bewegt werden. Das jeweilige innere Trägerbauteil kann im Gehäuse in einer Führung aufgenommen sein, so dass es bei der Verlagerungsbewegung geführt wird. Die Verlagerung von jeweiligem optischen Bauteil und innerem Trägerbauteil kann entlang einer geradlinigen Bewegungsbahn erfolgen. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass das jeweilige optische Bauteil und das innere Trägerbauteil zur translatorischen Verlagerung eine Drehbewegung ausführen, die mittels der Verlagerungseinrichtung bewirkt wird. Beispielsweise kann das innere Trägerbauteil sich aufgrund der Drehbewegung in Bezug auf eine Fassung herausdrehen oder hineindrehen. Zwischen innerem Trägerbauteil und Fassung ist hierbei eine Schraubverbindung gebildet. Das innere Trägerbauteil kann das jeweilige optische Bauteil ganz oder teilweise umgreifen. Mit Hilfe der Führung für das innere Trägerbauteil kann in den optischen Kanälen jeweils eine Verlagerung entlang der optischen Achse erzwungen werden.
Wenigstens eines der magnetischen Bauteile kann an dem optischen Bauteil und/oder dem jeweiligen inneren Trägerbauteil angeordnet sein. Das wenigstens eine magnetische Bauteil kann so in direkter oder indirekter Verbindung mit dem jeweiligen optischen Bauteil angeordnet sein. In einer Ausführung ist das jeweilige magnetische Bauteil wenigstens teilweise in einer Ausnehmung an dem inneren Trägerbauteil aufgenommen, beispielsweise formschlüssig.
Das magnetische Bauteil sowie ein zugeordnetes magnetisches Gegenbauteil und/oder das weitere magnetische Bauteil sowie ein zugeordnetes magnetisches Gegenbauteil können benachbart zu einem Wandabschnitt des Gehäuses aus einem nichtmagnetischen Material angeordnet sein.
Die Stelleinrichtung kann einen motorischen Antrieb aufweisen. Mit Hilfe der Stelleinrichtung kann das eine oder die mehreren magnetische Gegenbauteile außerhalb des Gehäuses relativ zu diesem verlagert werden. Alternativ oder ergänzend zu dem motorischen Antrieb kann eine manuelle Betätigung der Stelleinrichtung vorgesehen sein. Die vom motorischen Antrieb bereitgestellte Antriebsbewegung kann eine Drehbewegung sein, die mit Hilfe eines Wandlungsmechanismus in eine geradlinige Bewegung für das eine oder die mehreren magnetischen Gegenbauteile umgewandelt werden kann. In einer Ausführung koppelt der motorische Antrieb der Stelleinrichtung an eine Autofokuseinrichtung der optischen Vorrichtung, so dass mit Hilfe der Verlagerungseinrichtung eine Autofokuseinstellung ermöglicht ist.
Eine Ausgestaltung kann vorsehen, dass das eine oder die mehreren magnetischen Gegenbauteile bei der Relativverlagerung in Bezug auf das Gehäuse auf einer Bewegungsbahn in Längsrichtung und oder in Umfangsrichtung des Gehäuses verlagerbar sind. Während die Bewegung des einen oder der mehreren magnetischen Gegenbauteile in Längsrichtung des Gehäuses bevorzugt eine geradlinige Verschiebung des optischen Bauteils im Gehäuse bewirkt, kann mit Hilfe des Bewegens entlang des Umfangs des Gehäuses eine Drehbewegung im Gehäuse verursacht werden, beispielsweise für das jeweilige innere Trägerbauteil mit dem hieran jeweils aufgenommenen optischen Bauteil.
Es kann vorgesehen sein, dass das eine oder die mehreren magnetischen Gegenbauteile auf einem äußeren Trägerbauteil der Stelleinrichtung angeordnet sind. Das äußere Trägerbauteil, welches mehrteilig ausbildbar ist, kann beispielsweise als ein Schlitten ausgeführt sein. Das äußere Trägerbauteil kann auf einer äußeren Oberfläche des Gehäuses lagern, bei der Verlagerung beispielsweise hierauf rutschen. Das äußere Trägerbauteil kann das Gehäuse wenigstens teilweise umgreifen, beispielsweise auch formschlüssig. Ist das Gehäuse zum Beispiels als Rohr mit rundem oder eckigem Querschnitt gebildet, kann mit dem äußeren Trägerbauteil ein hierauf sitzender Schlitten gebildet sein, der in Längsrichtung des Rohres und/oder in dessen Umfangsrichtung verlagerbar ist, so dass das auf dem äußeren Trägerbauteil aufgenommene magnetische Gegenbauteil entsprechend in Relation zum Gehäuse verlagert wird. Der Schlitten kann mit zugeordneten Teilschlitten für die Teilgehäuse gebildet sein.
Die magnetischen Bauteile und/oder das eine oder die mehreren magnetischen Gegenbauteile können mit einem Permanentmagnet gebildet sein.
In einer Ausführungsform ist die optische Vorrichtung autoklavierbar ausgeführt. Eine solche Ausgestaltung kann auch für das optische System mit der optischen Vorrichtung vorgesehen sein.
Sowohl bei der optischen Vorrichtung wie auch bei dem optischen System kann vorgesehen sein, dass die magnetischen Bauteile und/oder das eine oder die mehreren magnetischen Gegenbauteile der Wand des Gehäuses spaltfrei gegenüberliegend angeordnet sind. Hierbei können die magnetischen Bauteile und/oder das eine oder die mehreren magnetischen Gegenbauteile teilweise oder vollständig in einer zugordneten Ausnehmung des das jeweilige Bauteil tragenden Trägers aufgenommen sein. Es kann eine reibungsarme Gestaltung der hierbei auftretenden Gleitflächen vorgesehen sein. Hierfür können polierte Gleitflächen und/oder Gleitwerkstoffe/Gleitpaarungen und/oder Beschichtungen der gleitenden Oberflächen vorgesehen sein, zum Beispiel mit Diamond-Like-Carbon (DLC).
Im Fall der Ausbildung von magnetischen Bauteilen und/oder magnetischen Gegenbauteilen mit wenigstens einem jeweils zugeordneten Permanentmagneten kann vorgesehen sein, dass ein magnetischer Kreis mittels weichmagnetischer Pole und magnetischem Rückschluss geschlossen ist. Weichmagnetische Komponenten oder Bauteile können das magnetische Feld der Permanentmagnete führen.
Hinsichtlich ihrer Formgebung können die magnetischen Bauteile und/oder die magnetischen Gegenbauteile, beispielsweise in der Ausführung mittels Permanentmagnet, eben oder gekrümmt ausgeführt sein, wobei in Verbindung mit einer gekrümmten Ausführung die Krümmung an den Krümmungsradius zugeordneter Abschnitte des Gehäuses angepasst sein kann.
Die Magnetkupplung zwischen den magnetischen Bauteilen und den zugeordneten magnetischen Gegenbauteilen kann bevorzugt eine magnetisch Kopplungsfestigkei von 40 mN/μm und 100 mN/μm aufweisen, vorzugsweise von 40 mN/μm und 80 mN/μm.
Die vorgeschlagenen Technologien ermöglichen die gemeinsame (gekoppelte), wahlweise gleichlaufende Bewegung optischer Komponenten oder Bauteile. Hiermit lässt sich beispielsweise die Qualität der optischen Abbildung in einem optischen System mit mehreren optischen Kanälen verbessern. Mittels Bewegung von optischen Komponenten wie beispielsweise Linsen, Blenden, Prismen und/oder Bildaufnehmern, insbesondere entlang der optischen Achse, wird eine Anpassung der optischen Abbildung an die vorgegebenen Anforderungen, die vorherrschenden Randbedingungen und den zu untersuchenden Bildausschnitt ermöglicht. Um einen Schutz der optischen Vorrichtungen oder Systeme zu gewährleisten, können diese hermetisch gekapselt werden.
Das gekoppelte optische System kann in einer Ausführung zwei voneinander getrennte, gegeneinander und gegenüber der Umgebung abgeschlossene optische Kanäle mit wahlweise identischen optischen Eigenschaften aufweisen, die jeweils ein Bild aufnehmen. Am distalen Ende der Kamera treten die Lichtstrahlen in die beiden Kanäle ein, die durch Frontgläser abgedichtet sind. Nach dem Frontglas kann das Licht weitere feststehende optische Komponenten Linsen, Blenden, Prismen passieren. In beiden optischen Kanälen befinden sich entlang der optischen Achse bewegliche optische Komponenten Linsen, Blenden, Prismen. Dahinter können sich weitere feststehende optische Komponenten Linsen, Blenden, Prismen befinden, bis das Licht auf den Bildaufnehmer CCD, CMOS trifft.
Eine Bewegung entlang der optischen Achse und/oder quer hierzu der verschiebbaren Gruppe von optischen Komponenten ermöglicht eine Variation der optischen Abbildung. Dies kann je nach Aufbau des optischen Systems oder der optischen Vorrichtung eine Vergrößerung „Zoom” oder eine Scharfstellung „Fokus” des Bildausschnitts bedeuten. Diese Linearbewegung parallel zu den optischen Achsen wird mit Hilfe einer Antriebseinheit, die einen Schlitten antreibt, ausgeführt. Die Antriebseinheit kann aus unterschiedlichen Komponenten wie Motoren, Aktoren und Getrieben aufgebaut sein oder aus einer manuellen Einstellvorrichtung bestehen. Ein Aufbau des Antriebssystems mit Aktoren oder Motoren hat den Vorteil einer externen Steuerung oder Automatisierung der Linearbewegung der optischen Komponenten, wodurch dem Bediener eine feinere Einstellung und einfachere Handhabung ermöglicht wird. Als Beispiele für Aktoren und Motoren seien Spindelantriebe, Linearaktoren oder Inchwormantriebe genannt.
Die gekoppelte Bewegung der Komponenten in den optischen Kanälen muss häufig mit hoher Präzision durchgeführt werden, wodurch eine synchrone Bewegung der Komponenten resultiert. Dies ist beispielweise notwendig, damit die an den Bildaufnehmern aufgenommenen Bilder bei der Linearbewegung der optischen Komponenten die gleichen Veränderungen zum Beispiel Fokussierung, Vergrößerung im Bild aufweisen.
Die Kopplung der beweglichen optischen Komponenten oder Bauteile mit der Antriebs- oder Stelleinrichtung kann permanentmagnetisch ausgeführt sein. An dem beweglichen Teil der Stelleinrichtung und den beweglichen optischen Komponenten der beiden Kanäle der Kamera sind Permanentmagnete bzw. Permanentmagnetsysteme angebracht, die eine gekoppelte Bewegung der optischen Komponenten in beiden Kanälen bei Bewegung der Antriebseinheit erzwingen.
Konstruktiv kann die Kopplung zwischen Antriebseinheit und beweglichen optischen Komponenten linear oder rotatorisch wirkend sein. Bei linear wirkenden Kupplungen wird durch eine Linearbewegung der Kupplungsteile außerhalb der beiden optischen Kanäle die gleiche Linearbewegung der Kupplungsteile innerhalb der optischen Kanäle erzwungen. Dabei werden Axialkräfte zwischen den beiden Kupplungssystemen übertragen. Rotatorisch wirkende Kupplungen übertragen Momente. Eine Rotationsbewegung der Kupplungsteile außerhalb der beiden optischen Kanäle bewirkt je nach Übersetzung eine Rotationsbewegung der Kupplungsteile innerhalb der optischen Kanäle. Durch eine Zwangsführung wie beispielsweise schraubenförmige Bahnen oder Gewinde, lässt sich die Rotation der inneren Kupplungsteile in eine Translationsbewegung überführen. Dadurch wird die Linearbewegung der beweglichen optischen Komponenten entlang der optischen Achsen gewährleistet.
Beim Einsatz von linear wirkenden Kupplungssystemen führt die Antriebseinheit oder Stelleinrichtung eine Linearbewegung durch. Als Beispiel von Aktoren und Motoren seien hier Spindelantriebe, Linearaktoren oder auch Inchwormmotoren genannt. Bei der Verwendung von rotierend wirkenden Kupplungssystemen führt die Antriebseinheit eine Rotationsbewegung durch. Hierfür können alle systembedingt sinnvollen rotierenden Motoren zum Einsatz kommen.
Zwischen den magnetischen Kupplungseinheiten im Inneren und außerhalb des Gehäuses, in welchem ein oder mehrere optische Kanäle oder Strahlengänge gebildet sind, wirken Reluktanzkräfte. Eine Bewegung der äußeren Magnetsysteme wird dadurch eine Bewegung der inneren Magnetsysteme hervorrufen, also erzwingen. Durch die beispielsweise permanentmagnetisch ausgeführte Kopplung kann daher eine synchrone Linearbewegung der beweglichen optischen Komponenten innerhalb der gekapselten Kanäle erzeugt werden.
Die magnetische Kopplung verstellbarer optischer Komponenten bietet den Vorteil, dass eine Anpassung an die vorgegebenen Anforderungen, die vorherrschenden Randbedingungen und einen zu untersuchenden Bildausschnitt durchzuführen. Je nach Ausführung lässt sich mit der Bewegung der optischen Komponenten im optischen System beispielsweise eine Scharfstellung Fokussierung oder eine Vergrößerung Zoom des Stereobilds erreichen.
Infolge der magnetischen Kopplung der Bewegung durch eine Gehäusewand, lassen sich die optischen Kanäle des Systems jeweils völlig abgeschlossen (hermetisch) ausführen. Diese Kapselung aller optischen Komponenten bietet einen Schutz gegen das Eindringen von Stoffen die zu einer Verunreinigung des optischen Systems führen. Ablagerungen durch Wasserdampf oder anderen Stoffen auf optischen Komponenten können die Beeinträchtigung des Bildes bis hin zur Zerstörung empfindlicher Bildaufnehmer C-MOS, CCDs und deren Elektronik bewirken. Die Kapselung bietet zum Beispiel den Vorteil einer einfachen Umsetzung der Dampfdichtigkeit und damit der Autoklavierbarkeit der einzelnen optischen Vorrichtung oder der mehreren optischen Vorrichtung des Systems beim Einsatz für den medizinischen Gebrauch. Sind die Antriebseinheit, die Magnetkupplung und alle weiteren Komponenten ebenfalls als autoklavierbare Komponenten ausgeführt, ist das Gesamtsystem autoklavierbar.
Durch die Verwendung von temperaturstabilen Hochenergiepermanentmagneten, aus zum Beispiel Neodym-Eisen-Bor oder Samarium-Cobalt, sowie hochflussleitenden Werkstoffen aus zum Beispiel Cobalt-Eisen-Chrom-Legierungen, lässt sich in einer möglichen Ausführung über die verlustlose Bereitstellung der Kopplungskraft eine identische Linearbewegungen der optischen Elemente in den einzelnen Sichtkanälen realisieren. Der Einsatz von Hochenergiemagneten kann sich als vorteilhaft erweisen, da dies eine sehr kompakte Bauweise sowie eine schocksichere Positionierung der optischen Elemente bei einer Haltekraft von mehreren Newton gewährleistet.
Durch die gekoppelte Bewegung optischer Komponenten lassen sich zum Beispiel 3D-Bilder in verbesserter Qualität und Größe erzeugen. Dies betrifft beispielsweise die Scharfeinstellung der Bilder oder ihre optische Vergrößerung. Die motorische Bewegung der optischen Komponenten erleichtert dem Bediener die Initiierung der jeweiligen Aktion, wobei eine geeignete Schnittstellenansteuerung dafür sorgt, dass die Hände des Bedieners völlig frei bleiben, um beispielsweise chirurgische Eingriffe durchzuführen. Mittels Verwendung von Permanentmagneten kann eine feste und präzise Kopplung der optischen Komponenten durchgeführt werden, wobei die optischen Linsensysteme jeweils hermetisch gekapselt werden können.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines optischen Systems mit einer Verlagerungseinrichtung mit magnetischer Kupplung,
2 eine schematische Darstellung eines optischen Systems mit beweglichen Bildaufnehmern mit einer linear wirkenden permanentmagnetischen Kupplung,
3 eine schematische Darstellung eines optischen Systems mit Kopplung beweglicher optischer Komponenten mit einer Variation der Position der Antriebseinheit,
4 eine schematische Darstellung eines optischen Systems mit Kopplung beweglicher optischer Komponenten mit einer rotatorisch wirkenden permanentmagnetischen Kupplung,
5 eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer linear wirkenden Magnetkupplung,
6 eine schematische Darstellung einer linear wirkenden Magnetkupplung,
7 eine schematische Darstellung einer weiteren linear wirkenden Magnetkupplung,
8 eine schematische Darstellung einer rotatorisch wirkenden Magnetkupplung,
9 eine schematische Darstellung einer weiteren rotatorisch wirkenden Magnetkupplung,
10 eine schematische Darstellung einer anderen rotatorisch wirkenden Magnetkupplung,
11 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines gehäusten Systems als autoklavierbare Variante,
12 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines weiteren optischen Systems mit Kopplung beweglicher optischer Komponenten mit einer linear wirkenden magnetischen Kupplung,
13 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines optischen Systems vergleichbar zu 12, wobei zwischen den optischen Kanälen eine Trennwand angeordnet ist,
14 bis 17 schematische Darstellungen zur Erläuterung einer magnetischen Kupplung und
18 bis 23 schematische Darstellungen von magnetischen Kupplungen in Verbindung mit der Verlagerungseinrichtung.
In 1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines optischen Systems mit einer Kopplung beweglicher optischer Komponenten mit einer linear wirkenden Kupplung. Die zwei optischen Kanäle oder Strahlengänge weisen im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils identische optische Eigenschaften auf. Die beiden optischen Kanäle sind von jeweils einer hermetisch abgeschlossenen, nichtmagnetischen Kapselung 1a, 1b umschlossen. Die Antriebseinheit 2 befindet sich außerhalb der Kapselung 1a, 1b. Die Antriebseinheit 2 kann aus einem Linearaktor, einem Motor oder einer manuellen Verstelleinheit bestehen, die eine Linearbewegung des Schlittens 8 bewirkt. Im Schlitten 8 befinden sich Magnetsysteme 4a, 4b. Ein Magnetsystem 4a umschließt die Kapselung 1a des ersten optischen Kanals, das andere Magnetsystem 4b ist am Umfang der Kapselung 1b des zweiten optischen Kanals angeordnet.
Innerhalb der Kapselung des linken und rechten optischen Kanals befinden sich Fassungen 6a, 6b mit optischen Komponenten, wie zum Beispiel optische Linsen, Blenden, Prismen 9a, 9b. Am Umfang der Fassungen 6a, 6b, die sich innerhalb der Kapselung 1a, 1b befinden, sind ebenfalls Magnetsysteme 5a, 5b angeordnet.
Über die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den inneren 5a, 5b und den äußeren Magnetsystemen 4a, 4b entstehen Reluktanzkräfte zwischen den Fassungen 6a, 6b und dem Schlitten 8. Eine Bewegung der Antriebseinheit 2 und damit eine Linearbewegung des Schlittens 8 erzwingt über die Magnetkupplungen eine Linearbewegung der Fassungen 6a, 6b. Über die Kupplung wird die Linearbewegung vom Magnetsystem außerhalb 4a, 4b der Kapselung auf das Magnetsystem innerhalb 5a, 5b der Kapselung übertragen. Durch eine Linearbewegung der Fassungen 6a, 6b entlang der optischen Achse können die optischen Komponenten 9a, 9b innerhalb der Kapselung 1a, 1b zwischen feststehenden, optischen Komponenten 7a, 7b und den Bildaufnehmern 3a, 3b positioniert werden, um eine Veränderung der aufgenommenen Bilder zu ermöglichen.
In der 2 ist eine Kopplung beweglicher optischer Komponenten mit beweglichen Bildaufnehmern 3a, 3b mit einer linear wirkenden permanentmagnetischen Kupplung schematisch dargestellt. Dieses gleicht dem ersten Ausführungsbeispiel aus 1, jedoch werden hierbei die Bildaufnehmer 3a, 3b entlang der optischen Achse der beiden optischen Systeme positioniert.
Eine Bewegung der Antriebseinheit 2 und damit eine Linearbewegung des Schlittens 8 erzwingt über die Magnetkupplungen eine Linearbewegung der Bildaufnehmer 3a, 3b. Durch eine Linearbewegung der Bildaufnehmer 3a, 3b entlang der optischen Achse können diese innerhalb der Kapselung 1a, 1b hinter den feststehenden, optischen Komponenten 7a, 7b, 9a, 9b positioniert werden um eine Veränderung der aufgenommenen Bilder zu ermöglichen.
In der 3 ist ein Aufbau mit beweglichen optischen Komponenten mit einer anderen Position der Antriebseinheit schematisch dargestellt. Dieses gleicht dem Ausführungsbeispiel aus 1, jedoch befindet sich hierbei die Antriebseinheit 2 nicht zwischen den beiden Kapselungen 1a, 1b der optischen Kanäle, sondern neben einem der beiden optischen Kanäle.
In der 4 ist ein Aufbau beweglicher optischer Komponenten mit einer rotatorisch wirkenden Kupplung schematisch dargestellt. Die zwei optischen Kanäle weisen jeweils identische optische Eigenschaften auf. Die beiden optischen Kanäle sind von jeweils einer Kapselung 1a, 1b umschlossen. Die Antriebseinheit 2 befindet sich außerhalb der Kapselung. Die Antriebseinheit 2 kann aus einem Rotationsmotor oder einer manuellen Verstelleinheit bestehen, die eine Rotationsbewegung auf den Schlitten 8 ausübt. Im Schlitten 8 befinden sich Permanentmagnetsysteme 4a, 4b. Ein Magnetsystem 4a umschließt die Kapselung 1a des ersten optischen Kanals. Das andere Magnetsystem 4b ist am Umfang der Kapselung 1b des zweiten optischen Kanals angeordnet. Zur Übertragung der Drehmomente der Antriebseinheit 2 zwischen Schlitten 8 und den Magnetsystemen 4a, 4b lassen sich auch Zahnräder einsetzten.
Innerhalb der Kapselungen 1a, 1b des linken und rechten optischen Kanals befinden sich Fassungen 6a, 6b mit optischen Komponenten, wie zum Beispiel optische Linsen, Blenden, Prismen 9a, 9b. Am Umfang der Fassungen 6a, 6b, die sich innerhalb der Kapselung 1a, 1b befinden, sind ebenfalls Magnetsysteme 5a, 5b angeordnet.
Eine Bewegung der Antriebseinheit 2 und damit eine Rotationsbewegung des Schlittens 8 erzwingt über die Magnetkupplungen eine Rotationsbewegung der Fassungen 6a, 6b. Durch eine Zwangsführung 10a, 10b kann diese Drehung der Fassungen 6a, 6b in eine Linearbewegung der Fassungen 6a, 6b entlang der optischen Achse überführt werden. Die optischen Komponenten 9a, 9b lassen sich somit innerhalb der Kapselung 1a, 1b zwischen feststehenden, optischen Komponenten 7a, 7b und den Bildaufnehmern 3a, 3b positionieren, um eine Veränderung der aufgenommenen Bilder zu ermöglichen.
In der 5 ist der schematische Aufbau einer linear wirkenden Magnetkupplung dargestellt. Die Magnetkupplung besteht aus einem äußeren Magnetsystem 4, dass über eine nichtmagnetische Kapselung 1 bzw. Gehäusewand 1 vom inneren Magnetsystem 5 getrennt ist. Bei einer Linearbewegung des äußeren Magnetsystems 4 entstehen durch die Vergrößerung des Luftspalts Reluktanzkräfte, die durch die Gehäusewand 1 zwischen äußerem 4 und innerem Magnetsystem 5 wirken. Durch die wirkenden Reluktanzkräfte, wird das innere Magnetsystem 5 bei einer Bewegung des äußeren Magnetsystems 4 mitgeführt. Sowohl äußeres 4 als auch inneres Magnetsystem 5 können aus einem oder mehreren Permanentmagneten aufgebaut sein, deren magnetisches Feld mit Hilfe von weichmagnetischen Bauteilen geführt wird. Die Durchführung der Reluktanzkräfte durch die Gehäusewand bietet die Möglichkeit, das innere Magnetsystem hermetisch zu kapseln.
In der 6 ist eine linear wirkende Magnetkupplung als Viertelschnitt schematisch dargestellt. Der Aufbau besteht aus einem äußeren Kupplungsteil 4 und einem inneren Kupplungsteil 5, welche durch eine Gehäusewand 1 getrennt sind. Der äußere Kupplungsteil 4 besteht aus einem Magnetsystem mit einem axial polarisierten Permanentmagneten 14 und zwei weichmagnetischen und somit das Magnetfeld leitenden Ringen 13a, 13b. Der innere Kupplungsteil 5, ebenfalls ein Magnetsystem, besteht aus einem zum äußeren Permanentmagneten 14 entgegengesetzt polarisierten Permanentmagneten 16 und zwei weichmagnetischen Ringen 15a, 15b zum Leiten des Magnetfelds. Das magnetische Feld 17 der Permanentmagneten 14, 16 schließt sich vom äußeren Magnetsystem 4 durch das Gehäuse 1 zum inneren Magnetsystem 5 zu einem magnetischen Kreis. Durch eine Linearbewegung des äußeren Kupplungsteils 4 vergrößert sich der Weg des magnetischen Feldes 17 durch das Gehäuse 1 wodurch Reluktanzkräfte zwischen innerem 5 und äußerem Magnetsystem 4 entstehen. Durch die wirkenden Reluktanzkräfte wird das innere Magnetsystem 5 bei einer Bewegung des äußeren Magnetsystems 4 mitgeführt.
In der 7 ist ein schematische Darstellung einer linear wirkenden Magnetkupplung als Viertelschnitt gezeigt. Ähnlich wie das erste Ausführungsbeispiel aus der 6 ist diese Kupplung aus einem äußeren Kupplungsteil 4 und einem inneren Kupplungsteil 5 aufgebaut, welche durch eine Gehäusewand 1 getrennt sind. Der äußere Kupplungsteil 4 besteht aus einem Magnetsystem mit zwei zueinander entgegengesetzt axial polarisierten Permanentmagneten 14a, 14b und drei weichmagnetischen und somit Magnetfeld leitenden Ringen 13a, 13b, 13c. Der innere Kupplungsteil 5, ebenfalls ein Magnetsystem, besteht aus zwei den äußeren Permanentmagneten 14a, 14b gegenüber liegenden weichmagnetischen Ringen 16a, 16b und drei weiteren weichmagnetischen Ringen 15a, 15b, 15c zum Leiten des Magnetfelds. Das magnetische Feld 17 der Permanentmagnete 14a, 14b schließt sich vom äußeren Magnetsystem 4 durch das Gehäuse 1 zum inneren Magnetsystem 5 zu zwei magnetischen Kreisen. Durch eine Linearbewegung des äußeren Kupplungsteils 4 vergrößert sich der Weg des magnetischen Feldes 17 durch das Gehäuse 1, wodurch Reluktanzkräfte zwischen dem inneren 5 und dem äußeren Magnetsystem 4 entstehen. Durch die wirkenden Reluktanzkräfte wird das innere Magnetsystem 5 bei einer linearen Bewegung des äußeren Magnetsystems 4 mitgeführt.
In der 8 ist der schematische Aufbau einer rotatorisch wirkenden Magnetkupplung dargestellt. Die Magnetkupplung besteht aus einem äußeren Magnetsystem 4, das über eine nichtmagnetische Kapselung 1 bzw. Gehäusewand 1 vom inneren Magnetsystem 5 getrennt ist. Bei einer Drehung des äußeren Magnetsystems 4 werden über die Auslenkung Reluktanzkräfte erzeugt, die ein Drehmoment zwischen innerem 5 und äußerem Magnetsystem 4 bewirken, so dass das innere Magnetsystem 5 mitrotiert. Sowohl äußeres 4 als auch inneres Magnetsystem 5 können aus einem oder mehreren Permanentmagneten aufgebaut sein, deren magnetisches Feld mit Hilfe von weichmagnetischen Bauteilen geführt wird. Die Durchführung der Reluktanzkräfte durch die Gehäusewand bietet die Möglichkeit, das innere Magnetsystem hermetisch zu kapseln.
In der 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer rotatorisch wirkenden Magnetkupplung dargestellt. Die Magnetkupplung besteht, wie die oben beschriebenen linear wirkenden Kupplungen, aus einem äußeren Magnetsystem 4, das über eine Gehäusewand 1 vom inneren Magnetsystem 5 getrennt ist. Der äußere Kupplungsteil besteht aus vier Permanentmagneten 14a, 14b, 14c, 14d, die so angeordnet sind, dass die Polarisation radial wirkt. Umschlossen sind diese Permanentmagnete 14 von einem weichmagnetischen Ring 13 der als Rückschluss zum Leiten des magnetischen Feldes dient. Der innere Kupplungsteil 5 besteht aus vier Permanentmagneten 16a, 16b, 16c, 16d, die jeweils radial gleichsinnig polarisiert zu den äußeren Permanentmagneten 14a, 14b, 14c, 14d angeordnet sind. Die inneren Permanentmagneten 16 sind ebenfalls in einem weichmagnetischen Ring 15 eingefasst. Das Magnetfeld 17 der Permanentmagneten 14, 16 schließt sich durch das Gehäuse 1 am jeweiligen Permanentmagnetpaar 14i, 16i. Eine Drehung des äußeren Kupplungsteils 4 bewirkt eine Vergrößerung des Wegs durch das Gehäuse 1, wodurch Reluktanzkräfte zwischen dem inneren 5 und dem äußeren Magnetsystem 4 entstehen. Durch die wirkenden Reluktanzkräfte, die bei einer Drehbewegung ein Moment verursachen, wird das innere Magnetsystem 5 bei einer Rotationsbewegung des äußeren Magnetsystems 4 mitgeführt.
In der 10 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer rotatorisch wirkenden Magnetkupplung dargestellt. Die Magnetkupplung besteht wiederum aus einem äußeren Magnetsystem 4, das über eine Gehäusewand 1 vom inneren Magnetsystem 5 getrennt ist. Der äußere Kupplungsteil besteht aus vier Permanentmagneten 14a, 14b, 14c, 14d, die so angeordnet sind dass die Polarisation radial wirkt. Umschlossen sind diese Permanentmagnete 14 von einem weichmagnetischen Ring 13 der als Rückschluss zum Leiten des magnetischen Feldes dient. Der innere Kupplungsteil 5 besteht aus vier weichmagnetischen Polschuhen 16a, 16b, 16c, 16d die jeweils den äußeren Permanentmagneten 14a, 14b, 14c, 14d gegenüber liegen. Diese inneren Polschuhe 16 sind ebenfalls in einem weichmagnetischen Ring 15 eingefasst. Das Magnetfeld 17 der Permanentmagneten 14 schließt sich durch das Gehäuse 1 am jeweiligen Permanentmagnet 14i mit dem inneren Polschuh 16i. Eine Drehung des äußeren Kupplungsteils 4 bewirkt eine Vergrößerung des Wegs durch das Gehäuse 1, wodurch Reluktanzkräfte zwischen innerem 5 und äußerem Magnetsystem 4 entstehen. Durch die wirkenden Reluktanzkräfte wird das innere Magnetsystem 5 bei einer Rotationsbewegung des äußeren Magnetsystems 4 mitgeführt.
Die 11 zeigt den schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels zur Kopplung beweglicher optischer Komponenten als autoklavierbare Variante exemplarisch anhand des Ausführungsbeispiels aus 1. Die gekapselten optischen Systeme 1a, 1b sowie die Antriebseinheit 2 und der Schlitten 8 sind als abgeschlossene, autoklavierbare Systeme ausgeführt. Ihre Funktions- und Wirkungsweise wird unter den Umgebungsbedingungen eines Autoklavs (134°C, Über- bzw. Unterdruck) nicht beeinträchtigt.
Ein trennbares aus mindestens zwei Teilen bestehendes Gehäuse 11, 12 umschließt alle Komponenten 1 bis 9 des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels aus 1 mit verstellbaren optischen Komponenten. Das Gehäuse 11, 12 ist so ausgeführt, dass sichergestellt wird, dass ein Eindringen von Flüssigkeiten und anderen Stoffen unter OP-Bedingungen, beispielsweise bei Berührung mit Körperflüssigkeiten oder einer Reinigung mit Desinfektionsmittel, nicht stattfinden kann.
Für den Autoklavierprozess können die beiden Gehäuseteile 11, 12 voneinander getrennt werden um die gekapselten, autoklavierbaren Komponenten 1 bis 9 frei zu legen.
In der 12 ist der Aufbau eines weiteren optischen Systems mit Kopplung beweglicher optischer Komponenten mit einer linear wirkenden Kupplung schematisch dargestellt. Die zwei optischen Kanäle weisen jeweils identische optische Eigenschaften auf. Die beiden optischen Kanäle befinden sich beide zusammen in einer hermetisch abgeschlossenen, nichtmagnetischen Kapselung 1. Die Antriebseinheit 2 befindet sich außerhalb der Kapselung und bewirkt eine Linearbewegung des Schlittens 8.
Im Schlitten 8 befinden sich Magnetsysteme 4a, 4b, die jeweils die Kapselung 1 umschließen. Innerhalb der Kapselung 1 befinden sich Fassungen 6a, 6b mit optischen Komponenten, wie zum Beispiel optische Linsen, Blenden, Prismen 9a, 9b. Am Umfang der Fassungen 6a, 6b, die sich innerhalb der Kapselung 1 befinden, sind ebenfalls Magnetsysteme 5a, 5b angeordnet. Die Magnetsysteme innerhalb und außerhalb der Kapselung können beispielsweise als Ringsegmente ausgeführt sein.
Über die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den inneren 5a, 5b und den äußeren Magnetsystemen 4a, 4b entstehen Reluktanzkräfte zwischen den Fassungen 6a, 6b und dem Schlitten 8.
13 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines optischen Systems vergleichbar zu 12, wobei zwischen den optischen Kanälen eine Trennwand 20 angeordnet ist. Mit der Trennwand 20 ist eine optische Abschirmung gebildet, was eine gegenseitige Beeinflussung des Lichtes in den beiden optischen Kanälen vermeidet.
Im Folgenden wird anhand weiterer Ausführungsbeispiele die magnetische Kupplung in Verbindung mit der Verlagerungseinrichtung weiter erläutert.
In 14 ist eine linear wirkende magnetische Kupplung schematisch dargestellt. Ein äußerer, angetriebener Schlitten der Verlagerungseinrichtung umfasst einen ringförmigen Permanentmagneten, zwei weichmagnetische Polschuhe und zwei Gleitlager. Getrennt durch das nichtmagnetische Gehäuse 1 befindet sich im Inneren des Gehäuses 1 der zweite Kupplungsteil, nämlich insbesondere die magnetischen Bauteile. Der innere Teil verfügt ebenfalls über einen Permanentmagnet, Polschuhe und Gleitlagerringe. Das magnetische Feld der Permanentmagnete schließt sich radial im Luftspalt zwischen innerem und äußerem Kupplungsteil. In der Querschnittdarstellung sind die radial symmetrisch verlaufenden Feldlinien gezeigt, siehe 14.
Im Grundzustand befinden sich die Polschuhe genau gegenüber (siehe 15 links). Die magnetischen Feldlinien verlaufen radial durch den Luftspalt. Aufgrund der erhöhten Reluktanz entstehen radial Grenzflächenkräfte F_r. Da der magnetische Kreis aus ideal konzentrischen rotationssymmetrischen Komponenten aufgebaut ist, beträgt die resultierende Reluktanzkraft im Grundzustand Null (siehe 15).
Wird das äußere System relativ zum inneren System um den Versatz Δx_K verschoben, stehen sich die Polschuhe nicht mehr gegenüber, siehe 15 rechts. Durch die Verschiebung verläuft das magnetische Feld nun auch axial durch den Luftspalt. Durch die hervorgerufene zusätzliche Reluktanz in x-Richtung, ist der Kraftvektor der Grenzflächenkraft F_Rel nun auch longitudinal gerichtet. Die Reluktanzkraft lässt sich nun aufteilen in eine radial F_{Rel_r} und eine axial gerichtete Komponente F_{Rel_x}. Während die radial wirkende Kraft F_{Rel_r} aufgrund der Rotationssymmetrie zu Null resultiert, tritt die axiale Kraftkomponente F_{Rel_x} als longitudinal wirkende Kopplungskraft zwischen innerem und äußerem Kupplungsteil auf.
Der Quotient aus der resultierenden Longitudinalkraft ΔF_K und dem Versatz Δx_K wird im Folgenden als Kopplungsfestigkeit c_K bezeichnet. Je größer die resultierende axiale Kraftwirkung bei einer vorgegeben Auslenkung ist, umso höher ist magnetische Kopplung.
Aufgrund von begrenzter Fertigungsgenauigkeit treten regelmäßig Bauteiltoleranzen auf. Diese Toleranzen können zu Asymmetrien im magnetischen System führen. Bei der magnetischen Kupplung können unter anderem Toleranzen bei der Konzentrizität auftreten. Als Folge der Exzentrizität treten einseitig radial wirkende Reluktanzkräfte F_ex auf (vgl. 15 links). Diese exzentrischen Kräfte F_ex wirken normal auf die Gleitlagerringe des Systems und führen zum asymmetrischen Anpressen dieser auf die Gehäusewand. Über den Reibungskoeffizienten μ_R lässt sich die Reibkraft F_R bestimmen, die einer axial gerichteten Reluktanzkraft F_K durch die magnetische Kopplung entgegenwirkt.
Über den Reibungskoeffizenten μ_R lässt sich die Reibkraft ermitteln: F_R = μ_R·F_ex
Die Reibkraft gilt als Widerstandskraft, die der Bewegung in x-Richtung entgegen wirkt. Im stationären Zustand existiert zwischen der Kopplungskraft F_K und der Reibkraft F_R ein Kräftegleichgewicht: F_R = F_{Rel_x}
Über die Kopplungsfestigkeit der magnetischen Kupplung c_K lässt sich der Versatz Δx_k zwischen äußerem und innerem Kupplungsteil aufgrund der Reibkraft F_R berechnen: Δx_K = C_K·F_R
Der Versatz entspricht damit der Genauigkeit bei der Einstellung der Position über die magnetische Kopplung. Es zeigt sich, dass eine möglichst große Steifigkeit nicht als alleiniges Gütekriterium herangezogen werden kann. Vielmehr muss die Fertigungstoleranz bekannt sein um die exzentrischen Reluktanzkräfte zu berechnen. Im nächsten Schritt lässt sich dann über den Reibungskoeffizienten die theoretische Positioniergenauigkeit ermitteln.
In einem Beispiel 1 einer magnetischen Kupplung betragen eine Kopplungsfestigkeit c_K 92 mN/μm und bei einer Exzentrizität von 100 μm, eine Radialkraft von F_ex = 8,2 N. Mit einem Reibungskoeffizienten μ_R von 0,2 ergeben sich eine Reibkraft von 1,64 N und ein Versatz/Ungenauigkeit von 17 μm. Bei einem Beispiel 2 einer magnetischen Kupplung betragen die Kopplungsfestigkeit c_K 42,9 mN/μm und, bei einer Exzentrizität von 100 μm, eine Radialkraft von F_ex = 5,0 N. Mit einem Reibungskoeffizienten u_R von 0,2 ergeben sich eine Reibkraft von 1 N und ein Versatz/Ungenauigkeit von 23 μm. Der Unterschied von 6 μm ist marginal, die Kopplungsfestigkeit im Beispiel 2 ist jedoch nur halb so groß wie die Kopplungsfestigkeit von Beispiel 1.
Die 18 bis 23 zeigen schematische Darstellungen für die magnetische Kupplung in Verbindung mit der Verlagerungseinrichtung. Über eine höhere Anzahl gegenüber liegender Magnetpaare 14 und 16, bzw. magnetischer Einzelkreise, lässt sich die Kopplungsfestigkeit der Kupplung vergrößern. Magnetfeld leitende Ringe 13a, 13b, 13c können hierbei aus weichmagnetischem Material gebildet sein und dienen der Ausrichtung des von Permanentmagneten bereitgestellten Magnetfeldes.
Bei den Ausführungsformen in den 18 bis 20 sind sowohl innerhalb als auch außerhalb des Gehäuses 1 Permanentmagnete vorgesehen. Demgegenüber zeigen die Darstellungen in den 21 bis 23 Ausführungsbeispiele, bei denen außerhalb des Gehäuses 1 Permanentmagnete zum Einsatz kommen, wohingegen im Inneren des Gehäuses 1 weichmagnetische Elemente verwendet werden, um die magnetischen Gegenbauteile auszubilden.
In den verschieden Ausgestaltungen kann eine motorisch bewegte, gleichlaufende Verstellung optischer Komponenten oder Bauteilen in hermetisch abgeschlossenen Kanälen oder Strahlengängen vorgesehen sein. Die Kopplung der Bewegung der optischen Komponenten beruht zum Beispiel auf dem Einsatz von Permanentmagneten. Optische Systeme zur 3D-Bildgebung nutzen für die Bildgebung häufig separate Strahlführungen. Typische Beispiele betreffen Stereoendoskope, Stereokameras oder Stereomikroskope bei denen durch die Linearbewegung von beispielsweise Blenden, optischen Linsen oder Bildaufnehmern entlang des Strahlengangs von zwei optischen Kanälen eine Verbesserung des Stereobilds und des Raumeindrucks erzielt wird. Dafür muss eine Kopplung der Bewegung zwischen den beiden optischen Kanälen stattfinden, damit die Veränderung im linken und rechten Kanal identisch ist. Durch den Einsatz von magnetischen Kupplungen ist es möglich, die Bewegung in beiden optischen Systemen vollständig koinzident auszuführen.
Für den Bediener der optischen Vorrichtung oder eines Systems mit mehreren der optischen Vorrichtungen entfallen mechanische Stellelemente. Die Bedienung lässt sich über sehr verschiedenartige Mensch-Maschine-Schnittstellen durchführen, beispielsweise das Drücken von Schaltern über Hände oder Füße, durch Sprachkontrolle, Kopfbewegung, Eye-Tracking oder auch in einem Regelsystem, zum Beispiel einer Autofokuseinrichtung.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7125378 B2 [0003]
DE 60224317 T2 [0003]
EP 0667547 B1 [0007]
EP 0332403 A2 [0008]
DE 19829645 A1 [0009]
US 7101334 B2 [0010]

Claims

Optische Vorrichtung, mit: – einem Gehäuse (1; 1a, 1b), in welchem optische Kanäle voneinander getrennt gebildet sind, – einem optischen Bauteil (9a), welches in dem Gehäuse (1; 1a, 1b) verlagerbar und in einem der optischen Kanäle angeordnet ist, – einem weiteren optischen Bauteil (9b), welches in dem Gehäuse (1; 1a, 1b) verlagerbar und in einem weiteren der optischen Kanäle angeordnet ist, und – einer Verlagerungseinrichtung, die eingerichtet ist, das optische sowie das weitere optische Bauteil (9a, 9b) in dem Gehäuse (1; 1a, 1b) zu verlagern, die Verlagerungseinrichtung (2, 8) aufweisend: – magnetische Bauteile (5a, 5b), welche im Gehäuse (1; 1a, 1b) angeordnet und dem einen und/oder dem weiteren optischen Bauteil (9a; 9b) zugeordnet sind, und – einem oder mehreren magnetischen Gegenbauteilen (4a, 4b), welche außerhalb des Gehäuses (1; 1a, 1b) angeordnet und mittels einer Stelleinrichtung (2, 8) relativ zum Gehäuse (1; 1a, 1b) verlagerbar sind, derart, dass aufgrund einer magnetischen Kopplung zwischen den magnetischen Bauteilen (5a, 5b) und dem einen oder den mehreren magnetischen Gegenbauteilen (4a, 4b) eine Relativverlagerung des einen oder der mehreren magnetischen Gegenbauteile (4a, 4b) in Bezug auf das Gehäuse (1; 1a, 1b) eine gemeinsame Verlagerung der magnetischen Bauteile (5a, 5b) und der hiermit jeweils in Verbindung stehenden optischen Bauteile (9a) in dem Gehäuse erzwingt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1; 1a, 1b) mit voneinander getrennten Teilgehäusen (1a, 1b) gebildet ist, wobei der optische Kanal sowie das optische Bauteil (9a) in einem der Teilgehäuse (1a) und der weitere optische Kanal sowie das weitere optische Bauteil (9b) in einem weiteren der Teilgehäuse (1b) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauteil (9a) und das weitere optische Bauteil (9b) jeweils an einem inneren Trägerbauteil (6a, 6b) angeordnet sind, welches verlagerbar in dem Gehäuse (1; 1a, 1b) aufgenommen ist, derart, dass bei der erzwungenen Verlagerung inneres Trägerbauteil (6a, 6b) und jeweils zugeordnetes optisches Bauteil (9a, 9b) gemeinsam bewegt werden.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der magnetischen Bauteile (5a, 5b) an dem optischen Bauteil (9a) und/oder dem jeweiligen inneren Trägerbauteil (6a, 6b) angeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Bauteil (5a) sowie ein zugeordnetes magnetisches Gegenbauteil (4a) und/oder das weitere magnetische Bauteil (5b) sowie ein zugeordnetes magnetisches Gegenbauteil (4b) benachbart zu einem Wandabschnitt des Gehäuses (1; 1a, 1b) aus einem nichtmagnetischen Material angeordnet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung einen motorischen Antrieb (2) aufweist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren magnetischen Gegenbauteile (4a, 4b) bei der Relativverlagerung in Bezug auf das Gehäuse (1; 1a, 1b) auf einer Bewegungsbahn in Längsrichtung und/oder in Umfangsrichtung des Gehäuses (1; 1a, 1b) verlagerbar sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren magnetischen Gegenbauteile (4a, 4b) auf einem äußeren Trägerbauteil (8) der Stelleinrichtung angeordnet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Bauteile (5a, 5b) und/oder das eine oder die mehreren magnetischen Gegenbauteile (4a, 4b) mit einem Permanentmagnet gebildet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, in autoklavierbarer Ausführung.
Optisches System, mit einer optischen Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, ausgeführt als: Stereokamera, insbesondere Stereoendoskop.