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Die Erfindung betrifft eine Abbildungseinheit, umfassend zumindest ein optisches Element, welches in einem Objektivrohr aufgenommen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Endoskop sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Abbildungseinheit.
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In optischen Abbildungssystemen wie beispielsweise Videoendoskopen wird das Objektiv durch transversales Verschieben, also durch eine Verschiebung entlang seiner optischen Achse, relativ zu einer Ebene, in der eine scharfe Abbildung erwünscht ist und in der sich beispielsweise ein Bildsensor befindet, fokussiert. Anschließend wird das Objektiv, beispielsweise das Endoskopobjektiv, dauerhaft fixiert, indem dieses z. B. verklebt wird. In der Praxis werden hauptsächlich rotationssymmetrische, zylindrische Passungen zur Ausrichtung der optischen Bauelemente verwendet. Trotz geringer Toleranzen in der Passung ist es möglich, dass das optische Element oder die optische Einheit geringfügig verkippt. An die Koaxialität zwischen einer Normalen des Bildsensors und der optischen Achse des bilderzeugenden optischen Elements, welches beispielsweise Teil eines Endoskopobjektivs ist, werden vor allem bei hochauflösenden optischen Einheiten stetig steigende Anforderungen gestellt, um die erreichbare Bildqualität voll auszuschöpfen.
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Um diese hohen Anforderungen zu erfüllen, wäre es möglich, eine Führungslänge in den Passungen zu vergrößern. Dies führt jedoch gleichzeitig zu Lichtverlusten und ggf. auch zu höherer Dispersion. Eine weitere Verringerung der Passungstoleranzen erlaubt es nur theoretisch, eine mögliche Verkippung zu verringern, da zum Montieren des optischen Elements stets ein Mindestspiel in der Passung vorhanden sein muss.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Abbildungseinheit, ein Endoskop sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Abbildungseinheit anzugeben, wobei die Abbildungseinheit ein optisches Element umfasst, und wobei eine genaue Ausrichtung des optischen Elements möglich sein soll.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Abbildungseinheit, insbesondere für ein Endoskop, umfassend zumindest ein optisches Element, welches in einem Objektivrohr aufgenommen ist und wobei die Abbildungseinheit dadurch fortgebildet ist, dass das Objektivrohr in einem von einem Führungsrohr umgebenen Innenraum zumindest abschnittsweise aufgenommen oder aufnehmbar ist, wobei das Objektivrohr an einer äußeren Mantelfläche eine Mehrzahl von Stegen umfasst, die sich in einer Längsrichtung des Objektivrohrs erstrecken und jeweils mit einer in eine innere Mantelfläche des Führungsrohrs eingelassenen Nut zusammenwirken.
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Der Erfindung liegen die folgenden Überlegungen zugrunde. Es wird das Konzept einer zylindrischen Passung zwischen Objektivrohr und Führungsrohr verlassen. Die Passung ist nicht mehr vollständig rotationssymmetrisch ausgeführt. Entlang des Umfangs des Objektivrohrs werden Stege an einer äußeren Mantelfläche des Objektivrohrs vorgesehen. Diese Stege erweitern das Objektivrohr parallel zu seiner Längsrichtung zumindest abschnittsweise. Der zweite Teil der Passung, nämlich das Führungsrohr, wird mit entsprechenden Nuten zur Aufnahme der Stege versehen. Eine Nut ist in Umfangsrichtung breiter ausgeführt als die Stege. So ist ein einfaches und klemmfreies Montieren des Objektivrohrs in dem Führungsrohr möglich, nämlich indem dieses entlang der Längsrichtung in das Führungsrohr eingeschoben wird. Das optische Element ist insbesondere ein abbildendes optisches Bauteil eines Endoskopobjektivs. Es ist auch möglich, dass als optisches Element ein Endoskopobjektiv vorgesehen ist. Das optische Element, genauer das Objektivrohr, in dem dieses aufgenommen ist, wird in Längsrichtung so verschoben, bis die gewünschte Position erreicht ist, in der es scharf abbildet, beispielsweise auf den Bildsensor.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Stege und die Nuten in einem senkrecht zu der Längsrichtung liegenden Querschnitt formkomplementär sind. Zueinander formkomplementär ausgebildete Stege und Nuten erlauben eine präzise Selbstzentrierung des Objektivrohrs in dem Führungsrohr. Ferner bevorzugt sind die Stege entlang des Umfangs des Objektivrohrs gleich verteilt angeordnet. Beispielsweise befinden sich drei Stege in einem Abstand von 120° entlang des Umfangs des Objektivrohrs an dessen äußerer Mantelfläche. Gleiches gilt für die zugehörigen Nuten in dem Führungsrohr. Gemäß weiteren Ausführungsformen sind abweichende Anzahlen von Stegen und Nuten vorgesehen, wobei selbstredend ihre Anzahl stets identisch ist. Beispielsweise sind zwei, vier, fünf oder mehr Stege bzw. Nuten an dem Objektivrohr bzw. dem Führungsrohr vorhanden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Abbildungseinheit dadurch fortgebildet, dass die Stege und/oder die Nuten in einem senkrecht zu der Längsrichtung liegenden Querschnitt trapezförmig sind, wobei zumindest eine Seitenflanke des Stegs und/oder zumindest eine Seitenwand der Nut in Richtung eines Zentrums des Stegs bzw. der Nut geneigt ist, so dass sich im Querschnitt der Steg in Richtung seiner Stirnseite verjüngt und/oder die Nut in Richtung ihres Grundes verengt.
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Durch Verdrehen des Objektivrohrs und des Führungsrohrs relativ zueinander kommen die Stege und die Nuten, genauer die Seitenflanken der Stege und die Seitenwände der Nuten, gegeneinander zur Anlage. Da die Seitenflanken der Stege und die Seitenwände der Nuten geneigt sind, wird durch Ausüben eines vorbestimmten Drehmoments eine bestimmte Anpresskraft zwischen den beiden Flächen realisiert, wobei diese aufeinander geringfügig abgleiten. So werden die beiden Teile gegeneinander zentriert. Im Ergebnis wird das Objektivrohr verkippungsfrei und sicher im Führungsrohr ausgerichtet. Anschließend wird das Objektivrohr in dem Führungsrohr verschoben, so dass das in dem Objektivrohr vorhandene optische Element scharf beispielsweise auf einen Bildsensor abbildet. Das zur Zentrierung verwendete Drehmoment wird bevorzugt so groß gewählt, dass gleichzeitig zur Selbstzentrierung des Objektivrohrs in dem Führungsrohr auch ein zumindest temporärer Klemmsitz zwischen den beiden Bauteilen vorliegt.
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Der Winkel, unter dem die Seitenflanke des Stegs und die Seitenwand der Nut geneigt sind, wird so gewählt, dass im speziellen Anwendungsfall eine ausreichend große Anpresskraft zwischen dem Objektivrohr und dem Führungsrohr vorhanden ist, so dass die gewünschte Selbstzentrierung auftritt. Bevorzugt sind die Winkel, unter denen die Seitenflanke des Stegs und die Seitenwand der Nut geneigt sind, zumindest näherungsweise gleich groß.
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Es ist ferner vorgesehen, dass das Drehmoment lediglich so groß gewählt wird, dass die Reibung zwischen dem Objektivrohr und dem Führungsrohr gerade ausreicht, um ein Verkippen des optischen Elements relativ zu dem Bildsensor zu vermeiden, das Objektivrohr jedoch gegenüber dem Führungsrohr noch geringfügig in Längsrichtung verschiebbar ist. So ist es möglich, die Justage der Fokusposition vorzunehmen. Erst anschließend wird das Objektivrohr am oder im Führungsrohr fixiert.
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Der Bildsensor, welcher ferner von der Abbildungseinheit umfasst sein kann, ist insbesondere senkrecht zu einer Längsrichtung des Führungsrohrs ausgerichtet. Ferner sind das Führungsrohr und der Bildsensor bevorzugt in einer festen räumlichen Beziehung zueinander angeordnet.
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Die Abbildungseinheit ist sowohl für Endoskope mit einem starren Schaft als auch für Endoskope mit einem flexiblen Schaft vorgesehen. Ferner ist gemäß einem Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass die Abbildungseinheit in einem Endoskop verwendet wird. Die Verwendung der Abbildungseinheit ist jedoch nicht auf Endoskope beschränkt. Sie kommt ebenso bevorzugt in Kamera, Kameramodulen, Belichtungs- und Abbildungssystemen zum Einsatz.
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Das Objektivrohr ist insbesondere gemeinsam mit seinen Stegen einteilig bzw. einstückig, ferner insbesondere materialeinteilig bzw. materialeinstückig, ausgeführt. Die Längsrichtung des Führungsrohrs, ebenso die Längsrichtung des Objektivrohrs entspricht einer jeweiligen Längserstreckungsrichtung des Bauteils. Im optimal zentrierten Zustand des Objektivrohrs fällt seine Längsrichtung mit der Längsrichtung des Führungsrohrs, zumindest näherungsweise, zusammen. Zumindest aber erstrecken sich die beiden Längsrichtungen zumindest näherungsweise in eine gemeinsame Richtung, sind also mit anderen Worten bestenfalls minimal gegeneinander parallelversetzt.
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Die Stege erstrecken sich zumindest abschnittsweise entlang der Längsrichtung des Objektivrohrs. Beispielsweise ist der Steg entlang der Länge des Objektivrohrs unterbrochen ausgeführt. Bevorzugt erstrecken sich die Stege jedoch entlang der vollständigen Länge des Objektivrohrs in seiner Längsrichtung. Gleiches gilt für die Nuten, welche sich ebenfalls bevorzugt abschnittsweise, insbesondere jedoch entlang der vollständigen Länge des Führungsrohrs in seiner Längsrichtung erstrecken.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Abbildungseinheit dadurch fortgebildet, dass die zumindest eine Seitenflanke des Stegs und/oder die zumindest eine Seitenwand der Nut um einen vorbestimmten Winkel gegenüber einer Radialrichtung geneigt sind, wobei als Radialrichtung eine Richtung angenommen wird, die ausgehend von einem Zentrum des Objektivrohrs bzw. des Führungsrohrs radial verläuft und die Stirnseite des Stegs bzw. den Grund der Nut im Querschnitt mittig durchstößt.
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Bevorzugt sind beide Seitenwände der Nut und/oder beide Seitenflanken des Stegs um den, also einen zumindest näherungsweise identischen, vorbestimmten Winkel gegenüber der Radialrichtung geneigt. Mit anderen Worten sind also der Steg und ebenso die Nut bevorzugt symmetrisch ausgestaltet. Vorteilhaft ist es möglich, eine Zentrierung des Objektivrohrs in dem Führungsrohr wahlweise durch eine Rotation im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn vorzunehmen.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der vorbestimmte Winkel zwischen 30° und 60°, insbesondere zwischen 35° und 55°, ferner insbesondere zwischen 40° und 50° liegt und insbesondere zumindest näherungsweise 45° beträgt. Bei zu kleinen Winkeln sind die Selbstzentrierungskräfte zu gering, während bei zu großen Winkeln eine zu große Haftreibung zwischen dem Objektivrohr und dem Führungsrohr auftreten kann. Als Winkel zwischen der geneigten Seitenflanke des Stegs bzw. der geneigten Seitenwand der Nut und der Radialrichtung wird stets der kleinere der beiden Winkel verstanden, betrachtet an einem Kreuzungspunkt zwischen der Ebene der Seitenflanke bzw. der Seitenwand und der Radialrichtung. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass stets auf die Radialrichtung oder eine zu dieser parallele Richtung Bezug genommen wird. Die Radialrichtung erstreckt sich von einem Zentrum des Führungsrohrs bzw. des Objektivrohrs und durchstößt im Zentrum bzw. in der Mitte den Grund der Nut bzw. der Stirnseite des Stegs. Sind das Führungsrohr und das Objektivrohr ideal zueinander zentriert, fallen die Radialrichtung des Führungsrohrs und die Radialrichtung des Objektivrohrs zusammen. Bei nicht idealer Zentrierung wird zur Bestimmung der Neigung der Flanke auf die Radialrichtung des Objektivrohrs und zum Bestimmen der Neigung der Seitenwand auf die Radialrichtung des Führungsrohrs Bezug genommen.
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Das Objektivrohr und das Führungsrohr sind bevorzugt aus Metall und/oder aus Kunststoff hergestellt. Für das Objektivrohr und das Führungsrohr können gleiche oder verschiedene Materialien vorgesehen sein.
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Werden beispielsweise das Objektivrohr und das Führungsrohr jeweils aus Stahl oder einem anderen metallischen Werkstoff hergestellt, so ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass diese nach Zentrierung und Justage des optischen Elements miteinander verschweißt, verlötet oder auch verklebt werden. Ein Verschweißen oder Verlöten findet beispielsweise mit Hilfe eines Lasers statt. Hierzu werden beispielsweise Schweiß- oder Lötpunkte in einer Kehle zwischen einer äußeren Mantelfläche des Objektivrohrs und einer Stirnfläche des Führungsrohrs vorgesehen. Auch diese Verbindungspunkte sind bevorzugt entlang des Umfangs gleich verteilt angeordnet. Beispielsweise befinden sich drei Verbindungspunkte, jeweils im Winkel von 120° voneinander beabstandet, entlang des Umfangs des Objektivrohrs.
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Ein Verkleben des Objektivrohrs und des Führungsrohrs wird beispielsweise vorgenommen, indem ein dünnflüssiger Klebstoff in den Spalt zwischen Objektivrohr und Führungsrohr eingebracht wird. Ein solcher Klebstoff kann beispielsweise unter Einwirkung von UV-Strahlung ausgehärtet werden. Zu diesem Zweck ist das äußere Führungsrohr bevorzugt transluzent ausgestaltet bzw. aus einem transluzenten Material hergestellt. Bevorzugt wird ein Material verwendet, welches für UV-Strahlung transluzent ist. Durch Bestrahlung des Führungsrohrs von seiner Außenseite her wird die UV-Strahlung in den Klebstoff eingekoppelt, so dass dieser aushärtet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist bevorzugt vorgesehen, dass das Führungsrohr aus einem transluzenten Material und das Objektivrohr aus einem stark Licht absorbierenden Material hergestellt sind. Je nach Wellenlänge des verwendeten Lichts, beispielsweise Laserlichts, wird ein für diese Wellenlänge transluzentes Material bzw. stark absorbierendes Material gewählt. Das Objektivrohr und das Führungsrohr werden miteinander verschweißt, indem das Laserlicht das Führungsrohr durchdringt und im Material des Objektivrohrs stark absorbiert wird, so dass dieses lokal aufschmilzt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ferner vorgesehen, dass das Führungsrohr eine äußere Nut umfasst, die sich in der Längsrichtung des Führungsrohrs erstreckt und in eine äußere Mantelfläche des Führungsrohrs eingelassen ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass sich die äußere Nut in einem Bereich des Führungsrohrs erstreckt, so dass sie in Umfangsrichtung die in die innere Mantelfläche eingelassene Nut zumindest teilweise überlappt, ferner insbesondere die äußere Nut in Umfangsrichtung zumindest eine Breite der in die innere Mantelfläche eingelassenen Nut aufweist.
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Werden das Objektivrohr und das Führungsrohr miteinander verschweißt, sind zu diesem Zweck das Objektivrohr und das Führungsrohr bevorzugt aus thermoplastischen Werkstoffen hergestellt, welche ferner insbesondere ähnliche thermische Eigenschaften aufweisen. Das Führungsrohr ist für die verwendete Laserstrahlung, beispielsweise UV- oder IR-Strahlung oder auch für Strahlung im sichtbaren Bereich, transluzent. Das Objektivrohr ist für die entsprechende Wellenlänge stark absorbiert, also beispielsweise aus einem schwarz eingefärbten Material, beispielsweise Kunststoff, hergestellt. Die äußere Nut reduziert die Materialstärke des Führungsrohrs im entscheidenden Bereich, so dass in diesem keine unnötig hohe Absorption der Laserstrahlung auftritt. Somit ist eine optimale Strahleinkopplung gegeben. Die Laserstrahlung, die das Führungsrohr im Bereich der Nut durchdringt, erhitzt das darunter liegende Objektivrohr, dessen Material bereichsweise aufgeschmolzen wird, so dass im Ergebnis die beiden Bauteile in diesem Bereich miteinander verschweißt werden.
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Ebenso ist es vorteilhaft möglich, einen beispielsweise UV-vernetzenden Klebstoff im Spalt zwischen dem Objektivrohr und dem Führungsrohr mit Hilfe eines durch das Führungsrohr hindurch in den Bereich dieses Spalt eingekoppelten (UV-)Laserstrahls auszuhärten. Gleiches gilt für andere Wellenlängen.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Endoskop, umfassend eine Abbildungseinheit nach einem oder mehreren der genannten Ausführungsformen. Das Endoskop weist einen starren oder einen flexiblen Schaft auf. Auf das Endoskop treffen gleiche oder ähnliche Vorteile zu, wie sie bereits im Hinblick auf die Abbildungseinheit erwähnt wurden, so dass auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Abbildungseinheit nach einer oder mehreren der genannten Ausführungsformen, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte fortgebildet ist,
- – zumindest abschnittsweises Einführen des Objektivrohrs in den von dem Führungsrohr umgebenen Innenraum, wobei jeweils ein Steg in eine Nut eingreift,
- – Fixieren des optischen Elements, indem das Objektivrohr mit dem Führungsrohr verbunden wird.
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Vorteilhaft erlaubt das Herstellungsverfahren eine schnelle und präzise Justage und Zentrierung des optischen Elements.
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Auch auf das Verfahren treffen gleiche oder ähnliche Vorteile und Aspekte zu, wie sie bereits im Hinblick auf die Abbildungseinheit erwähnt wurden. Diese sollen nicht wiederholt werden.
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Das Verfahren ist insbesondere dadurch fortgebildet, dass die Stege und/oder die Nuten in einem senkrecht zu der Längsrichtung liegenden Querschnitt trapezförmig sind, wobei zumindest eine Seitenflanke des Stegs und/oder zumindest eine Seitenwand der Nut in Richtung eines Zentrums des Stegs bzw. der Nut geneigt ist, so dass sich im Querschnitt der Steg in Richtung seiner Stirnseite verjüngt und/oder die Nut in Richtung ihres Grundes verengt, wobei zum Justieren des in dem Objektivrohr aufgenommenen optischen Elements das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst: Drehen des Objektivrohrs um seine Längsrichtung gegenüber dem Führungsrohr, so dass die geneigte Seitenflanke des Stegs an der geneigten Seitenwand der Nut zur Anlage kommt und das optische Element zentriert wird; Verschieben des Objektivrohrs relativ zum Führungsrohr in Längsrichtung des Führungsrohrs zum Einstellen einer gewünschten Längsposition des Objektivrohrs.
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Das Verfahren ist ferner dadurch fortgebildet, dass das Objektivrohr und das Führungsrohr durch Einwirkung von Laserstrahlung miteinander verschweißt, verlötet und/oder verklebt werden, wobei das Führungsrohr aus einem für die Laserstrahlung transluzenten Material und das Objektivrohr aus einem die Laserstrahlung stark absorbierenden Material hergestellt sind, und wobei zum Verschweißen, Verlöten und/oder Verkleben des Objektivrohrs und des Führungsrohrs das Führungsrohr im Bereich der äußeren Nut mit der Laserstrahlung bestrahlt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Abbildungseinheit, insbesondere eine Abbildungseinheit eines Endoskops, bereitgestellt wird, welche durch ein Verfahren nach einem oder mehreren der zuvor genannten Aspekte hergestellt ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
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1 ein Endoskop in einer schematisch vereinfachten Seitenansicht,
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2 eine Abbildungseinheit in einer schematisch vereinfachten Längsschnittansicht,
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3 eine schematisch vereinfachte Querschnittsansicht entlang der Linie III-III in 2,
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4 und 5 schematisch vereinfachte Detailansichten einer solchen Querschnittsansicht, die weitere Ausführungsbeispiele illustrieren.
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In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
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1 zeigt in schematischer und vereinfachter Seitenansicht ein Endoskop 2, beispielsweise ein Videoendoskop. An seinem distalen Ende umfasst das Endoskop 2 einen rohrförmigen Schaft 4, in dem ein optisches Element, beispielsweise ein Endoskopobjektiv, angeordnet ist. Mit Hilfe des Endoskopobjektivs wird ein Operations- und Untersuchungsbereich, der distal vor einem freien Ende des Schafts 4 liegt, beobachtet bzw. abgebildet. Ausgehend von dem Endoskopobjektiv wird das Bild über Relaisoptiken durch den Schaft 4, der in ein Gehäuse 6 mündet, weitergeleitet. Bei Endoskopen 2 mit flexiblem Schaft 4 ist als Relaisoptik beispielsweise ein flexibles Bündel Lichtleitfasern vorgesehen.
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Am proximalen Ende des Endoskops 2 befindet sich ein Gehäuse 6 mit einem Okulartrichter 8. Das Gehäuse 6 dient der Handhabung des Endoskops 2. Seitlich an dem Gehäuse 6 befindet sich eine Lichtquelle 10, beispielsweise eine LED-Lichtquelle. Diese ist über ein Anschlusskabel 12 mit einer geeigneten Stromversorgung verbunden.
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Am Okulartrichter 8 ist, schematisch dargestellt, ein Kamerakopf 14 mit einem nicht dargestellten Okularadapter angeordnet. Der Kamerakopf 14 erfasst das aus dem Endoskop 2 austretende Licht mit einem Bildsensor. Mittels eines Anschlusses 16 wird der Kamerakopf 14 mit Strom versorgt. Ferner ist es über den Anschluss 16 möglich, Bildsignale von dem Flächensensor des Kamerakopfs 14 an eine externe Auswerteeinheit zu übermitteln und Steuersignale an den Kamerakopf 14 zu übertragen.
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Das Endoskop 2 weist eine Abbildungseinheit auf, die einen optionalen Bildsensor 24 und ein optisches Element 26 umfasst. 2 zeigt die Abbildungseinheit 20 in einer schematisch vereinfachten Längsschnittansicht. Gegebenenfalls vorhandene Relaisoptiken sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Abbildungseinheit 20 umfasst ein Führungsrohr 22, welches in einer festen räumlichen Beziehung zu dem Bildsensor 24, insbesondere einem flächigen Bildsensor, beispielsweise ein CCD- oder CMOS-Sensor, steht. Lediglich beispielhaft ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Bildsensor 24 in dem Führungsrohr 22 angeordnet. Ferner umfasst die Abbildungseinheit 20 zumindest ein optisches Element 26, beispielsweise eine Linse, Linsengruppe oder ein Endoskopobjektiv. Das optische Element 26 ist in einem Objektivrohr 28 aufgenommen. Ferner ist das Objektivrohr 28 in einem von dem Führungsrohr 22 umschlossenen Innenraum 30 zumindest abschnittsweise aufgenommen bzw. aufnehmbar.
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3 zeigt eine schematisch vereinfachte Querschnittsansicht entlang der in 2 mit III-III bezeichneten Linie. Das Objektivrohr 28 umfasst an seiner äußeren Mantelfläche 32 eine Mehrzahl von Stegen 34. Die Stege 34 erstrecken sich jeweils in einer Längsrichtung L1 des Objektivrohrs 28 und wirken mit Nuten 36 zusammen, die in eine innere Mantelfläche 38 des Führungsrohrs 22 eingelassen sind. Die Nuten 36 erstrecken sich in einer Längsrichtung L2 des Führungsrohrs 22. Im dargestellten ideal zentrierten Zustand fallen die Längsrichtung L1 des Objektivrohrs 28 und die Längsrichtung L2 des Führungsrohrs 22 zusammen.
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Die Stege 34 und die Nuten 36 sind in dem in 3 dargestellten Querschnitt, welcher senkrecht zu den Längsrichtungen L1, L2 orientiert ist, trapezförmig. Eine Seitenflanke 40 der Stege 34 und eine Seitenwand 42 der Nut 36 ist in Richtung eines Zentrums des jeweiligen Stegs 34 bzw. der jeweiligen Nut 36 derart geneigt, dass sich im dargestellten Querschnitt der Steg 34 in Richtung seiner Stirnseite verjüngt und sich die Nut 36 in Richtung ihres Grundes 46 verengt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind lediglich eine Seitenflanke 40 und eine Seitenwand 42 mit Bezugszeichen versehen.
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Das Objektivrohr 28 und die an seiner äußeren Mantelfläche 32 vorhandenen Stege 34 sind bevorzugt einteilig bzw. einstückig, ferner bevorzugt materialeinteilig bzw. materialeinstückig, mit dem Objektivrohr 28 bzw. mit dem Führungsrohr 22 ausgeführt. Als Material für das Objektivrohr 28 ist beispielsweise ein Kunststoff oder ein Metall vorgesehen. Gleiches gilt für das Führungsrohr 22, welches ebenfalls aus einem Kunststoff oder einem Metall hergestellt ist.
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Eine der in das Führungsrohr 22 eingelassenen Nuten 36, in die sich der zugehörige Steg 34 des Objektivrohrs 28 erstreckt, ist auch in dem in 2 dargestellten Längsschnitt sichtbar. Bevorzugt erstreckt sich die Nut 36 abschnittsweise entlang der Längsrichtung L2 des Führungsrohrs 22. Es ist ebenso vorgesehen, dass sich die Nut 36 entlang der vollständigen Länge des Führungsrohrs 22 in dessen Längsrichtung L2 erstreckt. Auch der Steg 34 des Objektivrohrs 28 erstreckt sich bevorzugt entlang der vollständigen Länge des Objektivrohrs 28 in dessen Längsrichtung L1. Es ist gemäß einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls vorgesehen, dass sich der Steg 34 lediglich abschnittsweise in Längsrichtung L1 des Objektivrohrs 28 erstreckt.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stege 34 und die Nuten 36 entlang des Umfangs des Objektivrohrs 28 bzw. des Führungsrohrs 22 gleich verteilt angeordnet. Beispielsweise weisen diese einen Abstand von 120° entlang des jeweiligen Umfangs des Objektivrohrs 28 bzw. des Führungsrohrs 22 auf. Gemäß weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen sind andere Anzahlen von Stegen 34 bzw. Nuten 36 vorgesehen, beispielsweise zwei, vier, fünf oder mehr. Diese sind ebenfalls bevorzugt entlang des Umfangs des Objektivrohrs 28 bzw. des Führungsrohrs 22 gleich verteilt angeordnet.
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Die Stege 34 des Objektivrohrs 28 und die Nuten 36 des Führungsrohrs 22 sind in dem in 3 gezeigten Querschnitt formkomplementär ausgestaltet. Beispielhaft haben sowohl die Stege 34 als auch die Nuten 36 die Form eines rechtwinkeligen Trapezes. Folglich ist lediglich eine Seitenflanke 40 der Stege 34 sowie lediglich eine Seitenwand 42 der Nuten 36 geneigt. Das Objektivrohr 28 wird in dem Führungsrohr 22 zentriert, indem das Objektivrohr 28 gegenüber dem Führungsrohr 22 im Uhrzeigersinn rotiert wird. Infolge dieser Rotation kommt die Seitenflanke 40 eines Stegs 34 mit der Seitenwand 42 der Nut 36 zur Anlage. Wird ein vorgegebenes Drehmoment bei dieser Rotation auf das Objektivrohr 28 oder das Führungsrohr 22 ausgeübt, so entsteht aufgrund der aufeinander abgleitenden Flächen eine in Richtung des Zentrums des Objektivrohrs 28 gerichtete zentrierende Kraft.
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4 zeigt eine schematisch vereinfachte Detailansicht des Führungsrohrs 22 und des Objektivrohrs 28 im Bereich des Steges 34 bzw. der Nut 36. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen der Steg 34 und die Nut 36 zwei geneigte Seitenflanken 40a, 40b bzw. zwei geneigte Seitenwände 42a, 42b auf. So ist es möglich, das Objektivrohr 28 gegenüber dem Führungsrohr 22 sowohl durch eine Drehung im Uhrzeigersinn als auch durch eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn zu zentrieren. Beispielhaft ist eine erste Seitenwand 42a der Nut 36 und eine erste Seitenflanke 40a des Stegs 34 um einen ersten Winkel α und eine zweite Seitenwand 42b der Nut 36 und eine zweite Seitenflanke 40b des Stegs 34 um einen zweiten Winkel α, β gegenüber einer Radialrichtung R geneigt. Der erste und der zweite Winkel α, β können gleich oder unterschiedlich groß sein.
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Die Radialrichtung R ist eine Richtung, die ausgehend von einem Zentrum Z des Objektivrohrs 28 bzw. des Führungsrohrs 22 radial verläuft und die Stirnseite 44 des Stegs 34 bzw. den Grund 46 der Nut 36 im dargestellten Querschnitt mittig durchstößt. Die jeweiligen Winkel α, β, um die die Seitenflanken 40a, 40b bzw. die Seitenwände 42a, 42b des Stegs 34 bzw. der Nut 36 geneigt sind, werden gegenüber dieser Richtung bestimmt. Zu diesem Zweck sind in strichpunktierter Linie dargestellt, eine erste Parallelrichtung R1 und eine zweite Parallelrichtung R2 in 4 eingezeichnet. Die beiden Parallelrichtungen R1, R2 sind parallel zur Radialrichtung R verschobene Richtungen. Gegenüber diesen Parallelrichtungen R1, R2 wird die Neigung der Seitenflanken 40a, 40b bestimmt.
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Eine Neigung der Flanken 40a, 40b des Stegs 34 wird gegenüber Parallelrichtungen R1, R2 bestimmt, welche ausgehend vom Zentrum Z des Objektivrohrs 28 durch einen Fuß des Stegs 34 verlaufen, am Übergang zwischen der äußeren Mantelfläche 50 und der jeweiligen Flanke 40a, 40b. Eine Neigung der Seitenwände 42a, 42b der Nut 36 wird gegenüber Parallelrichtungen R1, R2 bestimmt, welche ausgehend vom Zentrum Z des Objektivrohrs 28 durch eine obere Kante der Nut 36 verlaufen, am Übergang zwischen der inneren Mantelfläche 38 und der jeweiligen Seitenwand 42a, 42b. Im dargestellten Ausführungsbeispiel, in dem das Objektivrohr 28 und das Führungsrohr 22 ideal zentriert sind, fallen die entsprechenden Punkte beispielhaft zusammen, so dass lediglich zwei Parallelrichtungen R1, R2 zur Bestimmung der Neigungswinkel α, β notwendig sind. Beispielhaft ist das Objektivrohr 28 konzentrisch zu dem Führungsrohr 22 angeordnet, so dass diese ein gemeinsames Zentrum Z aufweisen.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Neigungswinkel α, β der Seitenflanken 40a, 40b und der Seitenwände 42a, 42b zumindest näherungsweise identisch ist. Bevorzugt liegt der Neigungswinkel α, β zwischen 30° und 60°, insbesondere zwischen 35° und 55°, ferner insbesondere zwischen 40° und 50°, und beträgt insbesondere zumindest näherungsweise 45°. Die genannten Winkelbereiche haben sich als vorteilhaft herausgestellt, da bei zu großen Winkeln zu geringe Zentrierungskräfte auf das Objektivrohr 28 wirken, während diese bei zu kleinen Winkeln zu gering sind.
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5 zeigt eine weitere schematische und vereinfachte Detailansicht des Objektivrohrs 28 und des Führungsrohrs 22 im Bereich des Steges 34 bzw. der Nut 36 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der Steg 34 und die Nut 36 haben im dargestellten Querschnitt die Form eines rechtwinkeligen Trapezes, so dass das Objektivrohr 28 gegenüber dem Führungsrohr 22 durch eine Drehung im Uhrzeigersinn zentrierbar ist. Entsprechend ist eine erste Seitenflanke 40a und eine erste Seitenwand 42a des Stegs 34 bzw. der Nut 36 um einen Winkel α, welcher beispielhaft 45° beträgt, geneigt. Die zweite Seitenwand 40b des Stegs 34 und die zweite Seitenwand 42b der Nut 36 sind hingegen senkrecht orientiert, d.h. sie erstrecken sich in Richtung der Radialrichtung R, genauer gesagt entlang der zweiten Parallelrichtung R2, welche gegenüber der Radialrichtung R parallel verschoben ist.
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Das Führungsrohr 22 umfasst eine äußere Nut 48, welche sich in Längsrichtung L2 des Führungsrohrs 22 erstreckt und in eine äußere Mantelfläche 50 des Führungsrohrs 22 eingelassen ist. Bevorzugt ist die äußere Nut 48 so ausgestaltet, dass sie sich in einem solchen Bereich des Führungsrohrs 22 erstreckt, so dass sie in Umfangsrichtung die in die innere Mantelfläche 38 eingelassene Nut 36 zumindest teilweise überlappt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel überlappt die äußere Nut 48 die Nut 36 vollständig, weist also zumindest die Breite der in die innere Mantelfläche 38 eingelassenen Nut 36 auf. Beispielsweise ist die Breite der äußeren Nut 48 in Umfangsrichtung gemessen größer als die ebenfalls in Umfangsrichtung gemessene maximale Breite der Nut 36.
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Ferner ist das Führungsrohr 22 bevorzugt aus einem transluzenten Material und das Objektivrohr 28 aus einem stark lichtabsorbierenden Material hergestellt. Beispielsweise wird zur Herstellung des Führungsrohrs 22 ein transluzenter Kunststoff verwendet, während das Objektivrohr 28 aus einem geschwärzten Kunststoff hergestellt ist. So wird die Möglichkeit geschaffen, das Objektivrohr 28 und das Führungsrohr 22 beispielsweise mit Hilfe von Laserstrahlung miteinander zu verschweißen, nachdem das Objektivrohr 28 zentriert wurde. Das stark absorbierende Material des Objektivrohrs absorbiert die Laserstrahlung und wird so bereichsweise aufgeschmolzen. Nach dem anschließenden Erkalten ist das Objektivrohr 28 an dem Führungsrohr 22 fixiert. Vorteilhaft wird die Laserstrahlung in dem Material des Führungsrohrs 22 nicht oder nur geringfügig absorbiert, da dieses aus einem transluzenten Material hergestellt ist. Es wird ein Material gewählt, welches für die verwendete Wellenlänge, beispielsweise UV-Licht, weitgehend transparent ist. Das Objektivrohr 28 und das Führungsrohr 22 können ferner miteinander verlötet oder verklebt werden bzw. sein.
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Das Objektivrohr 28 und das Führungsrohr 22 sind so hergestellt, dass zwischen diesen ein Spalt 52 vorhanden ist. Das Objektivrohr 28 kann problemlos in das Führungsrohr 22 eingeführt werden. Die Passung zwischen den beiden Bauteilen, vor allem die Breite des Spalts 52, ist so gewählt, dass eine problemlose Montage möglich ist. Es ist vorteilhaft nicht erforderlich, die Passung zwischen den Bauteilen besonders eng auszuführen, da sie auf die anschließende Zentrierung des Objektivrohrs 28 keinen direkten Einfluss hat.
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Gemäß einem Verfahren zum Herstellen einer Abbildungseinheit 20, wie sie in den zuvor genannten Ausführungsbeispielen beschrieben ist, wird zunächst das Objektivrohr 28 zumindest abschnittsweise in den von dem Führungsrohr 22 umgebenen Innenraum 30 eingeführt, wobei jeweils ein Steg 34 des Objektivrohrs 28 in eine Nut 36 des Führungsrohrs 22 eingreift. Anschließend wird das in dem Objektivrohr 28 aufgenommene optische Element 26, beispielsweise ein Endoskopobjektiv oder ein optisches Bauteil davon, relativ zu dem Bildsensor 24 justiert.
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Dies geschieht, indem in einem ersten Schritt das Objektivrohr 28 um seine Längsrichtung L1 gegenüber dem Führungsrohr 22 gedreht wird, so dass die zumindest eine geneigte Seitenflanke 40 des Stegs 34 an der zumindest einen geneigten Seitenwand 42 der Nut 36 zur Anlage kommt. Durch Aufbringen eines vorbestimmten Drehmoments wird das optische Element 26 relativ zu dem Bildsensor 24 zentriert. In diesem Zusammenhang ist es auch vorgesehen, dass zwischen der geneigten Seitenflanke 40 des Stegs 34 und der geneigten Seitenwand 42 der Nut 36 eine so große Haftreibung vorliegt, dass zumindest temporär das Objektivrohr 28 in dem Führungsrohr 22 gehalten ist. Diese Maßnahme ist jedoch optional.
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In einem sich anschließenden zweiten Schritt wird nämlich das Objektivrohr 28 einschließlich des optischen Elements in Längsrichtung L2 des Führungsrohrs 22 verschoben. In der gewünschten und eingestellten Endpositionen bildet das optische Element 26 bevorzugt scharf auf den Bildsensor 24 ab. Mit anderen Worten befindet sich dieser also zumindest näherungsweise in der Bildebene des optischen Elements 26.
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Anschließend wird das optische Element 26 relativ zu dem Bildsensor 24 fixiert, indem das Objektivrohr 28 mit dem Führungsrohr 22 verbunden wird.
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Das Objektivrohr 28 wird in dem Führungsrohr 22 fixiert, indem beispielsweise die beiden Bauteile miteinander verschweißt oder verlötet werden, so wie oben erläutert. Es ist ferner vorgesehen, dass in dem Spalt 52 zwischen Objektivrohr 28 und Führungsrohr 22 ein Klebstoff gegeben wird, welcher aushärtet. Hierbei kann beispielsweise ein UV-vernetzender Klebstoff verwendet werden, so dass gegebenenfalls unter Verwendung eines UV-Lasers eine schnelle Vernetzung erreicht werden kann, wenn für das Führungsrohr 22 ein für das Laserlicht transluzentes Material verwendet wird. Bevorzugt wird die Laserstrahlung im Bereich der äußeren Nut 48 eingekoppelt, so dass der im Material des Führungsrohrs 22 zurückzulegende Weg und die damit einhergehende Absorption des Laserlichts im Material möglichst gering ist. Ferner ist eine Verbindung des Objektivrohrs 28 mit dem Führungsrohr 22, sofern die beiden Bauteile aus einem Metall hergestellt sind, durch Schweißen möglich. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass Schweißpunkte in einer Kehle zwischen einer äußeren Mantelfläche 32 des Objektivrohrs 28 und einer Stirnfläche des Führungsrohrs 22 gesetzt werden. Ein Schweißpunkt 54 ist beispielhaft in 2 gezeigt. Wird eine Lötverbindung hergestellt, handelt es sich um einen Lötpunkt. Auch die Schweiß- oder Lötverbindung ist mit Hilfe eines Lasers herstellbar. Im Ergebnis werden das Objektivrohr 28 und das Führungsrohr 22 bevorzugt durch Einwirkung von Laserstrahlung miteinander verschweißt, verlötet und/oder verklebt.
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Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Endoskop
- 4
- Schaft
- 6
- Gehäuse
- 8
- Okulartrichter
- 10
- Lichtquelle
- 12
- Anschlusskabel
- 14
- Kamerakopf
- 16
- Anschluss
- 20
- Abbildungseinheit
- 22
- Führungsrohr
- 24
- Bildsensor
- 26
- optisches Element
- 28
- Objektivrohr
- 30
- Innenraum
- 32
- äußere Mantelfläche
- 34
- Steg
- 36
- Nut
- 38
- innere Mantelfläche
- 40
- Seitenflanke
- 40a
- erste Seitenflanke
- 40b
- zweite Seitenflanke
- 42
- Seitenwand
- 42a
- erste Seitenwand
- 42b
- zweite Seitenwand
- 44
- Stirnseite
- 46
- Grund
- 48
- äußere Nut
- 50
- äußere Mantelfläche
- 52
- Spalt
- 54
- Schweißpunkt
- L1
- Längsrichtung des Objektivrohrs
- L2
- Längsrichtung des Führungsrohrs
- R
- Radialrichtung
- R1
- erste Parallelrichtung
- R2
- zweite Parallelrichtung
- Z
- Zentrum
- α
- erster Winkel
- β
- zweiter Winkel
