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Die Erfindung betrifft eine optische Einrichtung mit einem magnetischen Antrieb und einer Abbildungsoptik, die unter Wirkung magnetischer Kräfte des magnetischen Antriebs verstellbar ist. Die Erfindung betrifft insbesondere eine optische Einrichtung, bei der die magnetischen Kräfte auf einen drehbaren Magnetrotor wirken, dessen Drehung mit einem mechanischen Getriebe in eine Translation der Abbildungsoptik umgesetzt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Endoskop, das mit mindestens einer derartigen optischen Einrichtung ausgestattet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Einstellung einer Abbildungsoptik mittels berührungslos wirkender, magnetischer Kräfte. Anwendungen der Erfindung sind in optischen Geräten mit verstellbaren Abbildungsoptiken, insbesondere Kameras und/oder medizinischen Untersuchungsgeräten gegeben.
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Magnetische Antriebe, die magnetische Kräfte zur berührungslosen Kraftübertragung verwenden (siehe zum Beispiel
DE 4 029 182 C1 ,
DE 3 719 973 A1 ,
US 2007/0085434 A1 , oder
US 5 569 111 A ), sind allgemein bekannt. Die magnetischen Kräfte können durch die nicht-magnetische Gehäusewand eines Gehäuses auf einen Aktor im Inneren des Gehäuses übertragen werden. Das Innere des Gehäuses ist beispielsweise evakuiert oder gegenüber Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel Spritzwasser, geschützt. Die magnetischen Kräfte werden vorteilhafterweise übertragen, ohne die Schutzwirkung des Gehäuses zu beeinträchtigen. Magnetische Antriebe werden insbesondere zur Einstellung (Justierung Brennweite und/oder Fokussierung) von Abbildungsoptiken, beispielsweise von Kameras oder Endoskopen, verwendet (siehe zum Beispiel
EP 1 250 881 B1 ,
US 6 633 438 B2 ,
US 6 522 477 B2 ,
DE 195 21 654 C2 ,
US 8 343 042 B2 ,
US 5 836 867 ,
US 5 359 992 A oder
EP 1 291 698 B1 ).
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Typischerweise umfasst ein herkömmlicher magnetischer Antrieb einen äußeren Magnetrotor außerhalb des Gehäuses, einen inneren Magnetrotor in dem Gehäuse und ein Getriebe, mit dem eine Drehung des inneren Magnetrotors in eine Translation der Abbildungsoptik umgesetzt wird. Das Getriebe umfasst zum Beispiel gemäß
EP 1 250 881 B1 eine Kulissensteuerung mit einer spiralförmigen Bahnkurve, die fest mit dem inneren Magnetrotor verbunden und mit diesem drehbar ist. Die Abbildungsoptik ist über einen Mitnehmer mit der Bahnkurve beweglich gekoppelt. Bei Drehung der Bahnkurve erfolgt eine Translation der Abbildungsoptik in einem Arbeitsbereich, der durch die Länge und Steigung der Bahnkurve festgelegt ist.
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In Abhängigkeit von der konkreten Anwendung bestehen bei der Einstellung einer Abbildungsoptik eine Reihe von Anforderungen, die von herkömmlichen magnetischen Antrieben, insbesondere hinsichtlich der Genauigkeit, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit der Einstellung der Abbildungsoptik, nur beschränkt erfüllt werden können. Falls der herkömmliche Antrieb eine Drehung optischer Elemente erfordert, ergeben sich besonders hohe Anforderungen an die Zentriergenauigkeit der optischen Elemente. Wenn beim herkömmlichen Antrieb eine einzige vollständige Umdrehung des äußeren Magnetrotors (Stellwinkel nahezu 360°) eine Bewegung der Abbildungsoptik durch den gesamten Arbeitsbereich bewirkt, kann eine Feineinstellung der Abbildungsoptik, zum Beispiel für Fokussierungszwecke, erschwert werden. Des Weiteren ist die Steigung der Bahnkurve und damit der maximal erreichbare Arbeitsbereich beschränkt, da bei einer übermäßig steilen Bahnkurve ein Haftgleiteffekt zu einem Abreißen der magnetischen Kräfte führen kann. Die magnetischen Kräfte können zu gering sein, um die Abbildungsoptik translatorisch zu verschieben. In anderen Fällen, z. B. bei der Justierung der Brennweite (Zoom), kann ein Interesse bestehen, den Arbeitsbereich möglichst schnell zu durchfahren, ohne eine vollständige Umdrehung des äußeren Magnetrotors zu erfordern (Stellwinkel z. B. 270°).
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Aus
DE 37 19 973 A1 ist bekannt, die Kopplung zwischen dem äußeren Magnetrotor und dem inneren Magnetrotor eines magnetischen Antriebs, z. B. für ein Spielzeug oder ein Messgerät, mit einem Übersetzungsverhältnis kleiner 1 zu bilden. Diese Gestaltung eines magnetischen Übersetzungsgetriebes ist jedoch nur beschränkt geeignet, die genannten Probleme herkömmlicher optischer Einrichtungen mit magnetischen Antrieben zu vermeiden. Erstens können die Probleme aufgrund des Haftgleiteffekts noch verstärkt werden. Des Weiteren ist das Übersetzungsverhältnis wegen der Dimensionierung der Magnetrotoren nur beschränkt variierbar.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte optische Einrichtung mit einem magnetischen Antrieb bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Die optische Einrichtung soll insbesondere mehr Freiheitsgrade bei der Wahl eines Stellwinkels zum Durchfahren des Arbeitsbereiches bieten, eine erhöhte Geschwindigkeit der Einstellung der Abbildungsoptik ermöglichen, eine erhöhte Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Einstellung der Abbildungsoptik ermöglichen, Beschränkungen durch den Haftgleiteffekt vermindern und/oder die Übertragung größerer Kräfte auf die Abbildungsoptik ermöglichen. Des Weiteren ist es die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Endoskop mit einer verstellbaren Abbildungsoptik bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Endoskope vermieden werden.
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Diese Aufgaben werden mit einer optischen Einrichtung und einem Endoskop jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch eine optische Einrichtung mit einer verstellbaren Abbildungsoptik gelöst, die einen magnetischen Antrieb aufweist, der eine Antriebseinrichtung mit einem äußeren Magnetrotor und eine Aktoreinrichtung mit einem inneren Magnetrotor umfasst. Die Abbildungsoptik ist in einem Gehäuse in einem Arbeitsbereich (maximaler Stellweg) entlang einer Translationsführung beweglich. Der innere Magnetrotor ist im Gehäuse angeordnet und mit der Abbildungsoptik über ein mechanisches Getriebe beweglich gekoppelt, das eine Drehung des inneren Magnetrotors in eine Translation der Abbildungsoptik umsetzt. Der äußere Magnetrotor ist auf einer Außenseite des Gehäuses angeordnet und mit dem inneren Magnetrotor magnetisch gekoppelt. Die Magnetrotoren sind so angeordnet, dass der innere Magnetrotor mittels einer Drehung des äußeren Magnetrotors drehbar ist. Der Durchmesser des äußeren Magnetrotors ist größer als der Durchmesser des inneren Magnetrotors, so dass das Übersetzungsverhältnis der Drehung des äußeren Magnetrotors zur Drehung des inneren Magnetrotors (Quotient Antriebs-Drehzahl des äußeren Magnetrotors/Abtriebs-Drehzahl des inneren Magnetrotors) kleiner 1 ist.
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Gemäß der Erfindung ist das mechanische Getriebe, das den inneren Magnetrotor mit der Abbildungsoptik koppelt, als Untersetzungsgetriebe konfiguriert. Eine vollständige Umdrehung des inneren Magnetrotors wird in eine Translation der Abbildungsoptik höchstens über einen Teil des Arbeitsbereichs übertragen. Mit anderen Worten, das Getriebe ist so gebildet, dass die Translation der Abbildungsoptik über den gesamten Arbeitsbereich durch mehr als eine vollständige Umdrehung des inneren Magnetrotors, insbesondere mehrere Umdrehungen des inneren Magnetrotors, bewirkt wird. Das mechanische Getriebe hat ein Untersetzungsverhältnis, das durch die ganze oder gebrochene Zahl der Umdrehungen (> 1) des inneren Magnetrotors zum Durchfahren des gesamten Arbeitsbereiches beschrieben wird.
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Die Bereitstellung eines Untersetzungsgetriebes zwischen dem inneren Magnetrotor und der Abbildungsoptik bietet den Vorteil, dass im Vergleich zu herkömmlichen magnetischen Antrieben der Quotient aus Translationsweg der Abbildungsoptik und zugehörigem Drehwinkel des inneren Magnetrotors verringert ist. Damit kann die Feinjustierung der Abbildungsoptik verbessert werden. Des Weiteren kann die Erzeugung der für die Translation erforderlichen Kräfte vereinfacht und der Haftgleiteffekt vermindert werden.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit dem Getriebe ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die Gestaltung des Antriebs der Abbildungsoptik geschaffen wird. Durch die Wahl des Getriebes können in Abhängigkeit von den konkreten Anwendungsbedingungen ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis, eine bestimmte Übertragungsfunktion und/oder eine bestimmte Translationskraft zur Bewegung der Abbildungsoptik bereitgestellt werden.
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Das Übersetzungsverhältnis der äußeren und inneren Magnetrotoren, das immer kleiner 1 ist, und das Untersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes, das immer größer 1 ist, können in Abhängigkeit von den Anforderungen der konkreten Anwendung der Erfindung gegenseitig so abgestimmt werden, dass der Stellwinkel des äußeren Magnetrotors zum Durchfahren des gesamten Arbeitsbereiches der Abbildungsoptik mehr als 360° (Gesamtübersetzung größer 1), 360° (Gesamtübersetzung 1) oder einen Bruchteil von 360° (Gesamtübersetzung kleiner 1) beträgt. Die Gesamtübersetzung größer 1 hat besondere Vorteile in Bezug auf die Feinjustierung der Abbildungsoptik. Die Gesamtübersetzung kleiner 1 erlaubt hingegen ein schnelles Verfahren der Abbildungsoptik, z. B. beim Zoomen. Schließlich bietet insbesondere die Gesamtübersetzung 1 den Vorteil, Beschränkungen hinsichtlich der Länge des Arbeitsbereichs zu überwinden.
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Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch ein Endoskop gelöst, das mit mindestens einer optischen Einrichtung gemäß dem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung ausgestattet ist. Das Endoskop umfasst einen Endoskopschaft, in dem eine verstellbare Endoskopoptik angeordnet ist. Der vorzugsweise starre Endoskopschaft bildet das Gehäuse, auf dessen Außenseite der äußere Magnetrotor und in dessen Inneren der innere Magnetrotor, das Getriebe und die Abbildungsoptik angeordnet sind.
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Gemäß einem weiteren, unabhängigen Gegenstand der Erfindung wird ein Verfahren zur Einstellung einer Abbildungsoptik in einem Gehäuse mit einem magnetischen Antrieb bereitgestellt, der einen äußeren Magnetrotor und einen inneren Magnetrotor umfasst. Eine Drehbewegung des äußeren Magnetrotors wird auf den inneren Magnetrotor und von diesem über ein mechanisches Getriebe auf die Abbildungsoptik übertragen. Mit dem mechanischen Getriebe wird die Drehung des inneren Magnetrotors in eine Translation der Abbildungsoptik umgesetzt. Gemäß der Erfindung erfolgt die Umsetzung der Drehung des inneren Magnetrotors in die Translation der Abbildungsoptik mit einer Untersetzung (Untersetzungsverhältnis > 1). Das Verfahren wird vorzugsweise mit der optischen Einrichtung gemäß dem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung ausgeführt.
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Die Abbildungsoptik der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung umfasst allgemein mindestens ein reflektives und/oder refraktives optisches Element, vorzugsweise eine oder mehrere optische Linsen. Die Abbildungsoptik weist eine optische Achse auf, die parallel zu einer Längsachse des Gehäuses verläuft und vorzugsweise mit dieser zusammenfällt. Die Abbildungsoptik bildet zum Beispiel ein Objektiv einer Kamera, insbesondere einer Endoskopkamera, oder einen Teil des Objektivs. Die Abbildungsoptik kann mehrere optische Elemente umfassen, die bei Drehung des inneren Magnetrotors eine gemeinsame Translation, ggf. mit verschiedenen Charakteristiken, ausführen. Bei Anwendung der optischen Einrichtung(en) im Endoskop wird die Endoskopoptik durch eine oder mehrere Abbildungsoptiken gebildet, von denen mindestens eine Abbildungsoptik mit dem magnetischen Antrieb gemäß der Erfindung ausgestattet ist.
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Es können mehrere optische Einrichtungen mit einem gemeinsamen Gehäuse zusammengesetzt kombiniert werden, wobei die optischen Elemente der optischen Einrichtungen eine gemeinsame optische Einheit, z. B. ein Objektiv bilden. Beispielsweise können mindestens zwei optische Einrichtungen kombiniert werden, deren optischen Elemente ein Objektiv mit veränderlicher Brennweite (Zoom-Objektiv) bilden. Gemäß einer bevorzugten Anwendung der Erfindung kann ein Endoskop mit einer Kamera und einem Zoom-Objektiv ausgestattet sein. In diesem Fall umfasst das Endoskop zwei magnetische Antriebe, mit denen optische Elemente des Zoom-Objektivs voneinander unabhängig einstellbar sind. Eine erste optische Einrichtung ist zur Einstellung der Brennweite der Endoskopoptik angeordnet, und eine zweite optische Einrichtung ist zur Fokussierung der Endoskopoptik angeordnet.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst das mechanische Getriebe eine Gewindespindel, die mit dem inneren Magnetrotor drehbar ist und sich parallel zur Längsrichtung des Gehäuses erstreckt. Die Abbildungsoptik ist über einen Mitnehmer mit der Gewindespindel beweglich gekoppelt und durch eine Translationsführung (Rotationssperre) gegen eine Verdrehung gesichert. Bei Drehung der Gewindespindel erfolgt die Translation der Abbildungsoptik. Die Gewindespindel weist über die Länge des Arbeitsbereichs der Abbildungsoptik eine Vielzahl von Windungen, vorzugsweise mindestens 2 Windungen, besonders bevorzugt mindestens 6 Windungen, auf, so dass das gewünschte Untersetzungsverhältnis des Getriebes gebildet wird. Die Windungen können eine Nut oder einen Vorsprung in Helixform bilden, wobei der Mitnehmer jeweils entsprechend in die Nut eingreift oder den Vorsprung aufnimmt. Die Steigung und Form der Windung bestimmt die Übertragungsfunktion der Gewindespindel.
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Die Gewindespindel bildet ein Schraubgetriebe mit einem stabförmigen Gewindebauteil, das mit dem inneren Magnetrotor drehbar ist, und mit dem Mitnehmer der Abbildungsoptik. Im Falle einer Windungs-Nut ist der Mitnehmer vorzugsweise ein Mitnehmerstift. Vorteilhafterweise erlaubt der Mitnehmerstift insbesondere eine Bewegung entlang einer Gewindespindel mit einer nicht-linearen Steigung (veränderliche Steigung der Windungen), so dass die Abbildungsoptik eine nicht-lineare Translation ausführen kann. Alternativ, bei Verwendung einer Gewindespindel mit einer konstanten Steigung, kann der Mitnehmer eine Gewindemutter umfassen, die mit der Abbildungsoptik verbunden ist.
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Gemäß einer bevorzugten Variante der ersten Ausführungsform sind der innere Magnetrotor und die Gewindespindel fest miteinander verbunden. Beide Teile haben eine gemeinsame Achse.
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Der innere Magnetrotor sitzt auf der Gewindespindel, so dass diese bei Drehung des inneren Magnetrotors unter der Wirkung der Drehung des äußeren Magnetrotors unmittelbar mitgedreht wird. Diese Variante der Erfindung zeichnet sich vorteilhafterweise durch einen besonders einfachen Getriebeaufbau aus.
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Gemäß einer abgewandelten Variante der ersten Ausführungsform kann die Gewindespindel über ein zusätzliches Spindel-Getriebe mit dem inneren Magnetrotor gekoppelt sein. Das Spindel-Getriebe ist ein Rotationsgetriebe mit einem ersten Rotationsgetriebeteil (insbesondere Antriebsrad), das fest mit dem inneren Magnetrotor verbunden ist, und einem zweiten Rotationsgetriebeteil (insbesondere Abtriebsrad), das fest mit der Gewindespindel verbunden ist. Das Antriebsrad hat vorzugsweise einen geringeren Durchmesser als das Abtriebsrad, so dass vorteilhafterweise durch das Spindel-Getriebe eine zusätzliche Untersetzung in die Übertragung der Drehung des inneren Magnetrotors in die Translation der Abbildungsoptik eingeführt wird. Alternativ kann eine Übersetzung kleiner 1 realisiert werden.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann das Getriebe zwischen dem inneren Magnetrotor und der Abbildungsoptik durch eine Bahnkurve bereitgestellt werden, die in Kombination mit dem inneren Magnetrotor ein Bahnkurven-Getriebe bildet. Das Bahnkurven-Getriebe umfasst ein erstes Rotationsgetriebeteil (insbesondere Antriebsrad), das mit dem inneren Magnetrotor verbunden ist, und ein zweites Rotationsgetriebeteil (insbesondere Abtriebsrad), das durch eine äußere Umfangsfläche der Bahnkurve gebildet wird. Das erste Rotationsgetriebeteil kann mit dem inneren Magnetrotor fest verbunden oder über weitere Rotationsgetriebeteile gekoppelt sein. Die Bahnkurve bildet eine Kulissensteuerung für die Abbildungsoptik. Vorzugsweise hat die Bahnkurve die Gestalt einer zylinderförmigen Hülse mit einer Spiralnut oder einem Spiralvorsprung, mit der oder dem die Abbildungsoptik über einen passend geformten Mitnehmer gekoppelt ist. Die Bahnkurve kann über ihre axiale Länge eine oder mehrere Windungen aufweisen. Alternativ kann die Bahnkurve mehrere Spiralnuten oder mehrere Spiralvorsprünge aufweisen, mit denen optische Elemente der Abbildungsoptik über Mitnehmer gekoppelt sind und die gleiche oder verschiedene Übertragungsfunktionen aufweisen. Die Spiralnuten oder Spiralvorsprünge können in Axialrichtung der Bahnkurve aufeinander folgend angeordnet sein, oder sie können ineinander verschränkt (verschachtelt) angeordnet sein.
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Vorteilhafterweise kann die Gewindespindel oder die Bahnkurve eine nicht-lineare Steigung aufweisen. Die nicht-lineare Steigung bewirkt, dass eine gleichförmige Drehung des inneren Magnetrotors in eine nicht-gleichförmige Translation der Abbildungsoptik umgesetzt wird. Gemäß einer Variante kann sich die Steigung der Gewindespindel oder der Bahnkurve innerhalb des Arbeitsbereichs der Abbildungsoptik zu einer Fokalposition der Abbildungsoptik hin verringern. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine verbesserte Feineinstellung bei der Fokussierung der Abbildungsoptik. Gemäß einer weiteren Variante kann die nicht-lineare Steigung durch Segmente (Spindelsegmente oder Bahnkurvensegmente, Abschnitte in axialer Richtung) mit abwechselnd verschiedenen Steigungen gebildet werden. Im Arbeitsbereich der Abbildungsoptik werden mit den Segmenten verschiedene Übertragungsfunktionen der Gewindespindel oder der Bahnkurve bereitgestellt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Abbildungsoptik mehrere optische Elemente umfassen, die voneinander unabhängig beweglich mit der Gewindespindel oder der Bahnkurve gekoppelt sind. Jeweils eines der optischen Elemente kann mit einem Segment gekoppelt sein, das eine spezifische Übertragungsfunktion besitzt. Vorteilhafterweise ermöglicht diese Ausführungsform der Erfindung komplexe Bewegungen der optischen Elemente mit einer einzigen Drehung des äußeren Magnetrotors.
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Vorzugsweise ist das Spindel-Getriebe zwischen der Gewindespindel und dem inneren Magnetrotor oder das Bahnkurven-Getriebe zwischen der Bahnkurve und dem inneren Magnetrotor als Zahnradgetriebe gebildet. Vorzugsweise sind diese Getriebe als Untersetzungsgetriebe konfiguriert, deren Verhältnis zwischen Antriebs- und Abtriebsdrehzahl größer oder gleich 1 ist. Alternativ kann eine Übersetzung kleiner 1 realisiert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Magnetrotoren scheibenförmig gebildet. Der innere Magnetrotor umfasst eine Kreisscheibe, die an eine Innenseite der Gehäusewand angrenzend drehbar angeordnet ist und auf ihrem äußeren Umfangsrand Magnetelemente wechselnder Polarität trägt. Der äußere Magnetrotor umfasst einen Ring, der auf einer Außenseite der Gehäusewand drehbar angeordnet ist und entlang seines inneren Umfangs Magnetelemente wechselnder Polarität trägt. Die Magnetrotoren haben in axialer Richtung des Gehäuses die gleiche Position, so dass der magnetische Fluss zwischen den Magnetelementen geschlossen und bei Drehung des äußeren Magnetrotors der magnetische Fluss zwischen den Magnetelementen eine Mitnahme des inneren Magnetrotors bewirkt.
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Das Gehäuse der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung hat allgemein eine langgestreckte Form mit einer Längsrichtung, die vorzugsweise parallel zur optischen Achse der Abbildungsoptik verläuft. Bevorzugt hat das Gehäuse eine Zylinderform mit einer Gehäusewand, die zumindest in einem Bereich, in dem der äußere Magnetrotor und der innere Magnetrotor magnetisch gekoppelt sind, aus einem nicht-magnetischen Wandmaterial, zum Beispiel Aluminium, Kunststoff oder Edelstahl, hergestellt ist. Besonders bevorzugt ist das Gehäuse allseits geschlossen, insbesondere wasserdicht. Für medizinische Anwendungen der optischen Einrichtung ist das Gehäuse, insbesondere der Endoskopschaft, vorzugsweise autoklavierbar.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die optische Einrichtung Teil eines Endoskops. Das Gehäuse der optischen Einrichtung wird z. B. durch den Endoskopschaft gebildet. Die Abbildungsoptik ist eine Endoskopoptik oder ein Teil von dieser.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1: die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung mit einer Gewindespindel;
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2: eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Endoskops mit einer optischen Einrichtung gemäß 1;
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3: eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Endoskops mit einem Zoom-Objektiv;
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4: eine abgewandelte Variante der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung mit einer Gewindespindel;
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5: die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung mit einer Bahnkurve; und
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6: eine schematische Illustration einer Bahnkurve mit mehreren Spiralnuten.
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Die Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf die Anwendung der optischen Einrichtung als verstellbares Objektiv in einem Endoskop beschrieben. Es wird betont, dass die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern mit anderen optischen Geräten, wie zum Beispiel photographischen Kameras oder optischen Untersuchungseinrichtungen realisiert werden kann. Merkmale der Erfindung werden insbesondere unter Bezug auf die Gestaltung des magnetischen Antriebs beschrieben. Weitere Merkmale der optischen Einrichtung, wie zum Beispiel die Gestaltung der Abbildungsoptik oder der Aufbau eines Endoskops, können realisiert sein, wie es an sich von herkömmlichen Techniken bekannt ist.
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1 zeigt in schematischer Schnittansicht die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung 100, umfassend eine Abbildungsoptik 10, ein Gehäuse 20 (teilweise dargestellt), eine Translationsführung 30, eine Aktoreinrichtung 40 mit einem inneren Magnetrotor 41, ein mechanisches Getriebe 50 mit einer Gewindespindel 51, und eine Antriebseinrichtung 60 mit einem äußeren Magnetrotor 61.
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Die Abbildungsoptik 10 umfasst ein optisches Element 11 (optische Linse) und einen ringförmigen Halterahmen 12, der an seinem äußeren Umfangsrand mit der Translationsführung 30 und über einen Mitnehmer 13 mit der Gewindespindel 51 gekoppelt ist. Des Weiteren ist die Abbildungsoptik 10 optional mit einem Filter 14 (und/oder einem anderen optischen Element, wie z. B. einem Polarisator, ein Gitter und/oder einer asphärischen Kompensatoroptik) ausgestattet. Die Abbildungsoptik 10 ist in einem Arbeitsbereich 1 verfahrbar, der in 1 schematisch gezeigt ist. Der Arbeitsbereich 1 wird einerseits durch die Aktoreinrichtung 40 und andererseits Begrenzungselemente 32, 52 an der Translationsführung 30 und der Gewindespindel 51 begrenzt. Die optische Achse 2 der Abbildungsoptik 10 erstreckt sich in Längsrichtung des Gehäuses 20. Bei Drehung der Gewindespindel 51 führt die Abbildungsoptik 10 eine Translation entlang der optischen Achse 2 aus.
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Das Gehäuse 20 wird zum Beispiel durch den Endoskopschaft eines erfindungsgemäßen Endoskops gebildet (siehe 2, 3). Das Gehäuse 20 weist eine zylinderförmige Gehäusewand 21 mit einer Außenseite 22 und einer Innenseite 23 auf. Die Komponenten 10, 30, 40 und 50 sind im Inneren des Gehäuses 20 so angeordnet, dass die optische Achse 2 der Abbildungsoptik 10 parallel zur Längsachse des Gehäuses 20 verläuft. Der Innendurchmesser des Gehäuses 20 beträgt zum Beispiel 20 mm, wobei die Dicke der Gehäusewand 21 im Bereich der innen und außen angrenzenden Magnetrotoren 41, 61 zum Beispiel 0,5 mm beträgt.
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Die Translationsführung 30 umfasst einen Stab 31 mit dem Begrenzungselement 32. Der Stab 31 ist an der Innenseite 23 der Gehäusewand 21 als Rotationssperre für die Abbildungsoptik 10 fest montiert. Während der Translation der Abbildungsoptik 10 wird der Rahmen 12 der Abbildungsoptik 10 an dem Stab 31 geführt. Hierzu weist der Rahmen 12 beispielsweise einen Mitnehmerstift auf, der in eine Längsnut (nicht dargestellt) im Stab 31 greift. Alternativ kann die Translationsführung durch eine Linearstruktur auf der Innenseite 23 der Gehäusewand 21 gebildet sein.
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Der innere Magnetrotor 41 umfasst einen inneren Rotorring 42, der fest auf der Gewindespindel 51 sitzt. Auf dem äußeren Umfangsrand des inneren Rotorrings 42 sind Magnetelemente 43 wechselnder Polarität angeordnet. Bei einem Umfang des inneren Rotorrings 42 von zum Beispiel 12 mm sind beispielsweise 6 Magnetelemente 43, bestehend aus runden Magnetscheiben, vorgesehen. Die Gewindespindel 51 wird mit dem inneren Magnetrotor 41 gedreht, wobei die Drehung des inneren Magnetrotors 41 in die Translation der Abbildungsoptik 10 umgesetzt wird.
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Der äußere Magnetrotor 61 ist auf der Außenseite 22 der Gehäusewand 21 angeordnet. Ein äußerer Rotorring 62 ist in einer in Umfangsrichtung umlaufenden Führungsnut (nicht dargestellt) drehbar angeordnet. In den äußeren Rotorring 62 sind Magnetelemente 63 eingelassen. Bei einem Umfang des äußeren Rotorrings 62 von zum Beispiel 72 mm sind zum Beispiel 36 Magnetelemente 63, hergestellt aus zum Beispiel runden Magnetscheiben, vorgesehen. Zwischen den äußeren und inneren Magnetrotoren 61, 41 ist somit ein Übersetzungsverhältnis 1/6 gebildet.
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Die Gewindespindel 51 ist im Inneren des Gehäuses 20 mit einem Abstand von der Innenseite 23 der Gehäusewand 21 befestigt. Zur Befestigung ist im Gehäuse 20 eine Halterung, z. B. in Gestalt von zwei Ringscheiben vorgesehen, mit denen die Enden der Gewindespindel 51 und des Stabs 31 der Translationsführung 30 verbunden sind (siehe 2, 3, Ringscheiben 53). Eine der Ringscheiben kann zugleich die Funktion der Begrenzungselemente 32, 52 übernehmen. Die Gewindespindel 51 weist ein Außengewinde mit Windungen zum Beispiel mit einer konstanten Steigung von 2 mm/Windung auf. Alternativ kann die Steigung der Gewindespindel 51 in mehreren Spindelsegmenten entsprechend verschiedenen Abschnitten des Arbeitsbereichs 1 variieren. Die Zahl der Windungen der Gewindespindel 51 im Arbeitsbereich 1 bestimmt die Untersetzung am Getriebe 50 und in Verbindung mit dem Übersetzungsverhältnis zwischen den äußeren und inneren Magnetrotoren 61, 41 die Gesamtübersetzung. Mit 6 Windungen und dem obigen Übersetzungsverhältnis 1/6 ist die Gesamtübersetzung gleich 1, während sich mit mehr oder weniger als 6 Windungen entsprechend eine Gesamtübersetzung größer oder kleiner 1 ergibt. Entsprechend sind die Drehmomente und der äußere Stellwinkel des äußeren Magnetrotors 61 wählbar.
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Die optische Einrichtung 100 gemäß 1 wird betätigt, indem der äußere Magnetrotor 61 gedreht wird. Die Drehung erfolgt beispielsweise manuell oder mit einem äußeren Motor (nicht dargestellt). Bei Drehung des äußeren Magnetrotors 61 werden der innere Magnetrotor 41 und die Gewindespindel 51 mitgedreht, so dass die Abbildungsoptik 10 in Längsrichtung des Gehäuses 20 eine Translation ausführt. Mehr als eine Umdrehung des inneren Magnetrotors 41 ist erforderlich, um die Abbildungsoptik 10 durch den gesamten Arbeitsbereich 1 zu fahren. Die Translation wird vom Anwender, beispielsweise durch die Betrachtung eines Kamerabildes, überwacht und beendet, wenn zum Beispiel eine gewünschte Fokussierung der Abbildungsoptik 10 erreicht ist.
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2 illustriert eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Endoskops 200, das mit einer optischen Einrichtung 100 gemäß 1 ausgestattet ist. Es wird betont, dass das Endoskop 200 in 2 nur schematisch gezeigt ist. Die konkrete Gestaltung kann gewählt sein, wie von herkömmlichen Endoskopen bekannt ist. Das Endoskop 200 weist einen Endoskopschaft 220 auf, der zugleich das Gehäuse für die optische Einrichtung 100 bildet. Der Endoskopschaft 220 hat ein distales Ende 221, das zur Einführung zum Beispiel in den Körper eines zu untersuchenden Organismus oder Gegenstands vorgesehen ist, und ein proximales Ende 222, das für die Bedienung des Endoskops 200 ausgelegt ist. Das distale Ende 221 weist mindestens ein Beobachtungs- und Beleuchtungsfenster auf. Das proximale Ende 222 ist mit Bedienelementen (nicht dargestellt) und einem Bildsensor 230 ausgestattet.
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Die optische Einrichtung 100 bildet gemeinsam mit dem Bildsensor 230 eine Endoskopkamera. Die Endoskopoptik 210 wird durch die Abbildungsoptik 10 der optischen Einrichtung 100 und optional weitere optische Elemente gebildet, die im Endoskopschaft 220 angeordnet sind.
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2 illustriert wichtige Vorteile der Erfindung. Bei Drehung des äußeren Magnetrotors 61 kann die Abbildungsoptik 10 durch berührungslos wirkende, magnetische Kräfte verstellt und entsprechend die Endoskopoptik 210 fokussiert werden. Die Abbildungsoptik 10, die Translationsführung 30, die Aktoreinrichtung 40 und das Getriebe 50 sind im Inneren des Endoskopschafts 220 angeordnet, z. B. an Ringscheiben 53 fixiert. Der Endoskopschaft 220 bildet ein allseits geschlossenes, autoklavierbares Gehäuse. Nach der Benutzung ist das Endoskop einfach mit üblichen Mitteln zu reinigen, ohne dass der magnetische Antrieb der optischen Einrichtung 100 beeinträchtigt wird.
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3 illustriert schematisch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Endoskops 200, bei dem die Endoskopoptik 210 zur Bildung eines Zoom-Objektivs mehrere, unabhängig voneinander verstellbare Abbildungsoptiken 10A, 10B umfasst. Die Abbildungsoptiken 10A, 10B sind als Teile von zwei optischen Einrichtungen 100A, 100B gemäß der Erfindung vorgesehen, die jeweils, wie oben unter Bezug auf 1 beschrieben, mit einer Translationsführung, einer Aktoreinrichtung, einem Getriebe und einer Antriebseinrichtung ausgestattet sind. Die optischen Einrichtungen 100A, 100B sind so kombiniert, dass mit der ersten optischen Einrichtung 100A die Abbildungsoptik 10A verstellbar ist und mit der zweiten optischen Einrichtung 100B die Abbildungsoptik 10B verstellbar ist, beispielsweise um mit der Abbildungsoptik 10A die Brennweite der Endoskopoptik 210 zu wählen und mit der Abbildungsoptik 10B die Endoskopoptik 210 zu fokussieren.
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4 zeigt eine abgewandelte Variante der optischen Einrichtung 100 gemäß 1 in schematischer Querschnitt-Ansicht (4A) und schematischer Längsschnitt-Ansicht entlang der Linie B-B (4B). Die optische Einrichtung 100 umfasst wie die Ausführungsform gemäß 1 die Abbildungsoptik 10, das Gehäuse 20, die Translationsführung 30, die Aktoreinrichtung 40 mit dem inneren Magnetrotor 41, das Getriebe 50 und die Antriebseinrichtung 60 mit dem äußeren Magnetrotor 61. Die Abbildungsoptik 10 ist am Rahmen 12 über den Mitnehmer 13 mit der Gewindespindel 51 gekoppelt. Abweichend von 1 ist die Gewindespindel 51 des Getriebes 50 mit der Aktoreinrichtung 40 nicht fest verbunden, sondern über ein zusätzliches Spindel-Getriebe 54, 55 gekoppelt. Das Spindel-Getriebe 54, 55 umfasst ein Antriebs-Rotationsgetriebeteil 54 und ein Abtriebs-Rotationsgetriebeteil 55. Das Antriebs-Rotationsgetriebeteil 54, das zum Beispiel ein Zahnrad umfasst, ist fest mit dem inneren Magnetrotor 41 verbunden. Das Abtriebs-Rotationsgetriebeteil 55, das ebenfalls beispielsweise ein Zahnrad umfasst, sitzt fest auf der Gewindespindel 51. Das Übersetzungsverhältnis des Spindel-Getriebes 54, 55 ist z. B. kleiner 1 gewählt, so dass durch das Spindel-Getriebe 54, 55 eine zusätzliche Untersetzung bereitgestellt wird.
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5 illustriert die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung 100 in schematischer Querschnitts-Ansicht (5A) und in Längsschnitt-Ansicht entlang der Linie B-B (5B). Diese Ausführungsform der optischen Einrichtung 100 ist ebenfalls mit der Abbildungsoptik 10, dem Gehäuse 20, der Translationsführung 30, der Aktoreinrichtung 40 und der Antriebseinrichtung 60 aufgebaut, wie oben unter Bezug auf 1 beschrieben wurde. Abweichend von der Ausführungsform gemäß 1 wird das Getriebe 50 nicht durch eine Gewindespindel, sondern eine Bahnkurve 56 mit einem Bahnkurven-Getriebe 57, 58 gebildet. Die Bahnkurve 56 weist eine Spiralnut 59 auf, deren Länge und Form die Übertragungsfunktion der Umsetzung der Drehung des inneren Magnetrotors 41 in die Translation der Abbildungsoptik 10 bestimmt. Die Abbildungsoptik 10 ist über einen Mitnehmer 13 mit der Spiralnut 59 gekoppelt. Alternativ können mehrere Spiralnuten vorgesehen sein (siehe 6).
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Das Bahnkurven-Getriebe 57, 58 umfasst ein Antriebs-Rotationsgetriebeteil 57, das fest mit dem inneren Magnetrotor 41 verbunden ist und zum Beispiel als Zahnrad gebildet ist, und ein Abtriebs-Rotationsgetriebeteil 58, das fest mit der Bahnkurve 56 verbunden ist. Das Abtriebs-Rotationsgetriebeteil 58 ist als Zahnrad auf der äußeren Umfangsfläche der Bahnkurve 56 gebildet. Das Übersetzungsverhältnis des Bahnkurven-Getriebe 57, 58 ist kleiner 1 gewählt, so dass sich bei Drehung des inneren Magnetrotors 41 die gewünschte Untersetzung ergibt.
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Zur Betätigung der optischen Einrichtung 100 gemäß 5 wird der äußere Magnetrotor 61 manuell oder mit einem Motor (nicht dargestellt) gedreht, wobei der innere Magnetrotor 41 mitgenommen wird. Die Drehung wird über das Bahnkurven-Getriebe 57, 58 auf die Bahnkurve 56 übertragen und von dieser in die Translation der Abbildungsoptik 10 umgesetzt. Mehrere Umdrehungen des inneren Magnetrotors 41 sind erforderlich, um die Abbildungsoptik 10 durch den gesamten Arbeitsbereich 1 zu fahren, der durch die Steigung der Spiralnut 59 definiert wird und in 5 schematisch dargestellt ist.
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6 zeigt beispielhaft eine Bahnkurve 56 mit drei Spiralnuten 59.1, 59.2 und 59.3, die in Axialrichtung getrennte ineinander verschachtelte Segmente bilden. Die Bahnkurve 56 hat Vorteile bei der Einstellung einer Abbildungsoptik mit mehreren, z. B. 3, optischen Linsen. Mit jeder der Spiralnuten 59.1, 59.2 und 59.3 ist eine der optischen Linsen gekoppelt. Eine Drehung der Bahnkurve 56 wird in Translationen der optischen Linsen jeweils entsprechend den Übertragungsfunktionen der Spiralnuten 59.1, 59.2 und 59.3 umgesetzt.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination oder unter Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein..
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4029182 C1 [0002]
- DE 3719973 A1 [0002, 0005]
- US 2007/0085434 A1 [0002]
- US 5569111 A [0002]
- EP 1250881 B1 [0002, 0003]
- US 6633438 B2 [0002]
- US 6522477 B2 [0002]
- DE 19521654 C2 [0002]
- US 8343042 B2 [0002]
- US 5836867 [0002]
- US 5359992 A [0002]
- EP 1291698 B1 [0002]
