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Die Erfindung betrifft eine Prismenanordnung für ein Endoskop mit seitlicher Blickrichtung mit zwei Prismen und einer Linse mit planer Eingangsfläche, die einen optischen Pfad für in ein erstes Prisma der Prismenanordnung eintretende Lichtstrahlen definieren, der von einer ersten Grenzfläche eines ersten Prismas durch eine erste gemeinsame Grenzfläche zwischen dem ersten Prisma und einem zweiten Prisma in das zweite Prisma und weiter durch ein eine zweite gemeinsame Grenzfläche zwischen dem zweiten Prisma und der Linse in die Linse der Prismenanordnung verläuft und auf dem Weg von der ersten Grenzfläche des ersten Prismas zur Linse an zwei reflektierenden Grenzflächen gespiegelt wird. Die Erfindung betrifft weiter ein Endoskop mit seitlicher Blickrichtung und einer distal hinter einem Eintrittsfenster und/oder einer Eintrittslinse angeordneten Prismenanordnung.
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Seitwärts blickende Endoskope mit festem vom Geradeausblick abweichenden Blickwinkel weisen üblicherweise eine Prismenanordnung aus mehreren Prismen auf, die den unter einem Winkel zur Längsachse des Endoskops eintretenden Strahlengang zweimal reflektieren und seitenrichtig in die Richtung des Endoskopschafts umlenken.
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Die üblicherweise zwei oder drei Prismen der Prismenanordnung sind an gemeinsamen Grenzflächen mittels optischen Kitts bzw. Zements miteinander verkittet. Bei bekannten Prismenanordnungen der Anmelderin finden die Reflexionen an zwei sowohl zur optischen Achse der Eintrittslinse als auch zur Längsachse des Endoskopschafts schräg stehenden reflektierenden Grenzflächen des zweiten Prismas der Prismenanordnung statt. Die schrägstehende reflektierende Grenzfläche des zweiten Prismas, an der die zweite Reflexion stattfindet, bildet teilweise eine gemeinsame Grenzfläche mit dem ersten Prisma, mit dem es verkittet ist. Durch diesen verkitteten Teil tritt der Strahlengang zunächst hindurch, um vom ersten in das zweite Prisma zu gelangen.
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Die optische Eingangsbaugruppe umfasst üblicherweise weiterhin eine Eintrittslinse, die eintretendes Licht in den Strahlengang bündelt, der durch die Prismengruppe hindurchtritt. Diese Eintrittslinse bestimmt auch die optische Achse der optischen Baugruppe. Die Kombination aus Eintrittslinse und Prismenanordnung bestimmt daher auch den Öffnungswinkel des Blickfelds („Field of View“, FOV) des Endoskops, wobei weitere Linsengruppen eine weitere Blendenwirkung haben können oder eigene Blenden für die Auswahl des Blickfeldes vorhanden sein können.
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Nachteilig ist bei dieser bekannten Bauweise, dass Lichtstrahlen, die von außerhalb des vorbestimmten Blickfelds des Endoskops eintreten, an der ersten reflektierenden Grenzfläche des zweiten Prismas zurückgespiegelt werden können und dann an der ersten gemeinsamen Grenzfläche, die die Verlängerung der zweiten reflektierenden Grenzfläche des zweiten Prismas darstellt, durch Fresnel-Reflexion bzw. Totalreflexion wiederum zur ersten reflektierenden Grenzfläche zurückreflektiert werden. Von hier werden solche Strahlen wiederum zur zweiten reflektierenden Grenzfläche zurückgespiegelt und von dort in eine Linse mit planer Eingangsfläche hinein. Diese vierfache Reflexion erzeugt auf diese Weise unerwünschte Geisterbilder oder „Flares“ im Bild.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, unerwünschten Flare im Strahlengang seitwärts blickender Endoskope mit fixem Seitwärtsblickwinkel zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Prismenanordnung für ein Endoskop mit seitlicher Blickrichtung mit zwei Prismen und einer Linse mit planer Eingangsfläche, die einen optischen Pfad für in ein erstes Prisma der Prismenanordnung eintretende Lichtstrahlen definieren, der von einer ersten Grenzfläche eines ersten Prismas durch eine erste gemeinsame Grenzfläche zwischen dem ersten Prisma und einem zweiten Prisma in das zweite Prisma und weiter durch ein eine zweite gemeinsame Grenzfläche zwischen dem zweiten Prisma und der Linse in die Linse der Prismenanordnung verläuft und auf dem Weg von der ersten Grenzfläche des ersten Prismas zur Linse an zwei reflektierenden Grenzflächen gespiegelt wird, gelöst, die dadurch weitergebildet ist, dass die erste gemeinsame Grenzfläche innerhalb eines Toleranzbereichs senkrecht oder parallel zu einer optischen Achse ist, die mit einem zentralen Strahlengang für in das erste Prisma eintretendes Licht zusammenfällt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung der ersten gemeinsamen Grenzfläche innerhalb eines Toleranzbereichs senkrecht oder parallel zu einer optischen Achse, die mit einem zentralen Strahlengang für in das erste Prisma eintretendes Licht zusammenfällt, hat den Effekt, dass eine Fresnel-Reflexion oder Totalreflexion mit weiterem Strahlverlauf bis zum Betrachter in diesem Bereich auch für von sehr weit seitwärts eintretendes Licht vermieden wird, so dass unerwünschte Geisterbilder oder „Flare“ wirksam verhindert werden. Die Bestimmung des Toleranzbereichs, in dem dieser Effekt erzielt wird, gehört zum Aufgabengebiet des Optikers, der mit der Planung entsprechender Prismenanordnungen betraut ist. Der Toleranzbereich wird für jede individuelle Prismenanordnung bzw. jede individuelle Optik eines Endoskops unterschiedlich sein.
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Vorzugsweise beträgt der Toleranzbereich bis zu ±5° und/oder ist so berechnet, dass Lichtstrahlen, die von außerhalb eines vorbestimmten maximalen Winkelbereichs eines vorbestimmten Sichtfeldes eintreten, keine Fresnel-Reflexion oder Totalreflexion, insbesondere mit weiterem Strahlverlauf bis zum Betrachter, in der ersten gemeinsamen Grenzfläche erfahren. Dies gilt für die Lichtstrahlen aus dem vorbestimmten Sichtfeld ohnehin.
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Dies war mit den bisher verwendeten Prismenanordnungen, bei denen die erste gemeinsame Grenzfläche schräg zur optischen Achse verlief, nicht möglich. In diesem Fall ergab sich, wie in den meisten Fällen bei großem Einstrahlwinkel, eine vierfache Reflexion und somit die unerwünschten Geisterbilder.
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Wenn die erste gemeinsame Grenzfläche senkrecht zur optischen Achse ausgerichtet ist, wird die erste der beiden Reflexionen des Strahlengangs im zweiten Prisma auftreten, während diese bereits im ersten Prisma auftritt, wenn die erste gemeinsame Grenzfläche parallel zur optischen Achse ist. Die optische Achse fällt zusammen mit dem zentralen Strahlengang des eintretenden Lichts und wird bei dem optischen Design der optischen Baugruppe festgelegt.
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Vorteilhafterweise ist eine rotationssymmetrische Eintrittslinse auf der ersten Grenzfläche des ersten Prismas befestigt, deren zentrale Symmetrieachse die optische Achse und den zentralen Strahlengang des optischen Pfades der Prismenanordnung bestimmt. Die Prismenanordnung ist so berechnet, dass sie mit der Eintrittslinse zusammen eine distale optische Baugruppe des Endoskops ergibt. Die einzelnen Komponenten werden so aufeinander berechnet, dass eine optimale Strahlführung bei hoher optischer Qualität und ohne Verlust an Bildwinkel erreicht wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Überlappungsbereich zwischen dem ersten Prisma und dem zweiten Prisma in der ersten gemeinsamen Grenzfläche so dimensioniert, dass der optische Pfad für einen vorbestimmten Sichtfeldwinkel des Endoskops vollständig den Überlappungsbereich durchquert, während Strahlen von außerhalb des vorbestimmten Sichtfeldwinkels, bis auf einen Toleranzbereich, den Überlappungsbereich verfehlen. Auf diese Weise ist es möglich, eine Blendenwirkung zu erzielen. Dies wird vorteilhafterweise dadurch verstärkt oder ersetzt, dass der Überlappungsbereich und/oder die gesamte erste gemeinsame Grenzfläche unverspiegelt ist, und/oder, dass die erste gemeinsame Grenzfläche außerhalb des Überlappungsbereichs wenigstens teilweise für Lichtstrahlen undurchlässig oder Licht absorbierend ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Prismenanordnung ist vorgesehen, dass die Fläche, die auf Seiten des ersten Prismas die erste gemeinsame Grenzfläche bildet, größer ist als die Fläche, die auf Seiten des zweiten Prismas die erste gemeinsame Grenzfläche bildet.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch ein Endoskop mit seitlicher Blickrichtung und einer distal hinter einem Eintrittsfenster und/oder einer Eintrittslinse angeordneten erfindungsgemäßen zuvor beschriebenen Prismenanordnung.
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Dieses Endoskop hat die gleichen Merkmale, Vorteile und Eigenschaften wie die in ihm enthaltene Prismenanordnung.
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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 eine schematische Darstellung einer bekannten Prismenanordnung,
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2 eine schematische Anordnung eines Strahlengangs durch eine weitere bekannte Prismenanordnung,
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3 eine schematische Darstellung der Erzeugung von „Flares“ in einer bekannten Prismenanordnung und
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4a), 4b) zwei Varianten erfindungsgemäßer Prismenanordnungen in schematischer Darstellung.
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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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In 1 ist eine bekannte Prismenanordnung 70 nach der üblichen Bauart der Anmelderin schematisch im Querschnitt dargestellt. Die Prismenanordnung 70 umfasst ein erstes Prisma 10, ein zweites Prisma 20 und eine Linse 30 mit planer Eingangsfläche, wobei das erste Prisma 10 mit dem zweiten Prisma 20 und das zweite Prisma 20 mit der Linse 30 jeweils mit einem optischen Kitt oder optischen Zement 40 flächig verbunden ist. Ebenfalls dargestellt ist ein zentraler Strahlengang 2, der senkrecht durch eine erste Grenzfläche 11 des ersten Prismas 10 eintritt und ohne Ablenkung bis zu einer reflektierenden Grenzfläche 22 des zweiten Prismas 20 verläuft, von wo es innerhalb des zweiten Prismas 20 zu einer weiteren reflektierenden Grenzfläche 21 läuft und von dort in eine zentrale Achse der Linse 30 parallel zu einer Längsachse eines nicht dargestellten Endoskops reflektiert wird. Die mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnete Grenzfläche ist gleichzeitig eine gemeinsame Grenzfläche mit dem ersten Prisma 10.
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2 zeigt schematisch im Querschnitt den Verlauf eines vollständigen Strahlengangs mit einem zentralen Strahlengang 2 und peripheren Strahlen durch eine sehr ähnliche bekannte Prismenanordnung 71, wobei das Licht durch ein Eintrittsfenster 6 und eine Eintrittslinse 8 eintritt und durch eine erste Grenzfläche 11 in ein erstes Prisma 10 der Prismenanordnung 71 eintritt. Wie bereits im Beispiel der 1 ist auch in 2 die gemeinsame Grenzfläche 12 zwischen dem ersten Prisma 10 und dem zweiten Prisma 20 unter einem schrägen Winkel zur zentralen optischen Achse bzw. zum zentralen Strahlengang 2 angeordnet. Der Strahlengang durchdringt diese Grenzfläche 12 und wird an den reflektierenden Grenzflächen 21 und 22 des zweiten Prismas 20 zweimal reflektiert. Hierfür ist ein Teil der Grenzfläche 22 reflektierend ausgebildet, während ein anderer Teil, der mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet ist, für das Licht durchgängig ist.
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Das Licht des Strahlengangs tritt dann in die Linse 30 durch eine gemeinsame Grenzfläche 31 mit dem zweiten Prisma 20 ein.
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3 zeigt für eine sehr ähnliche bekannte Prismenanordnung 72, wie ein unter einem großen Winkel eintretender peripherer Lichtstrahl 4 durch die Eintrittslinse 8 in das erste Prisma 10 gelangt, durch den unverspiegelten Bereich der gemeinsamen Grenzfläche 12 in das zweite Prisma 20 hinein und an der reflektierenden Grenzfläche 21 des zweiten Prismas 20 unter einem spitzen Winkel zurückreflektiert wird. Dieser Lichtstrahl 4 erfährt in diesem eigentlich durchgängigen Bereich der gemeinsamen Grenzfläche 12 eine Fresnel-Reflexion oder Totalreflexion und wird zurück zur reflektierenden Grenzfläche 21 gespiegelt, woraus er in den reflektierenden Bereich der gemeinsamen Grenzfläche 12 bzw. der Grenzfläche 22 des zweiten Prisma 20 gelangt, um dort in das dritte Prisma 30 hineingespiegelt zu werden. Dieser vierfach reflektierte periphere Lichtstrahl 4 erzeugt beim Betrachter ein unerwünschtes Geisterbild bzw. „Flare“.
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In den 4a) und 4b) sind zwei Beispiele erfindungsgemäßer Prismenanordnungen 60, 61 mit jeweils einer davor gesetzten Eintrittslinse 8 und einigen Strahlen des Strahlengangs einschließlich eines zentralen Strahlengangs 2 gezeigt. In 4a) durchquert der Strahlengang das erste Prisma 10 ohne Spiegelung und trifft auf eine gemeinsame Grenzfläche 12, die im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse bzw. zum zentralen Strahlengang 2 steht. Wie in den vorangegangenen Beispielen findet die zweifache Reflexion an den reflektierenden Grenzflächen 21 und 22 des zweiten Prismas 20 statt, bevor der Strahlengang in die Linse 30 eintritt. In dieser erfindungsgemäßen Prismenanordnung 60 ist die Geometrie der gemeinsamen Grenzfläche 12 so gewählt, dass eine Reflexion zurück zu der Grenzfläche auch unter großen Eintrittswinkeln nicht zu einer Fresnel-Reflexion oder Totalreflexion mit weiterem Strahlverlauf bis zum Betrachter in der gemeinsamen Grenzfläche 12 und somit zu einer weiteren Spiegelung führen kann.
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Ähnlich ist in 4b) diese vierfache Spiegelung dadurch verhindert, dass die gemeinsame Grenzfläche 12 parallel zum zentralen Strahlengang 2 bzw. zur schräg blickenden optischen Achse eingangs des Systems angeordnet ist. Hier erfolgt die erste Reflexion an der reflektierenden Grenzfläche 13 des ersten Prismas 10 und die zweite Reflexion an der reflektierenden Grenzfläche 21 des zweiten Prismas 20. Auch hier ergibt sich keine geometrische Möglichkeit dafür, dass Lichtstrahlen, die unter großen Winkeln in die Eintrittslinse 8 eintreten, zur gemeinsamen Grenzfläche 12 zurückreflektiert werden und dort eine Fresnel-Reflexion oder Totalreflexion mit weiterem Strahlverlauf bis zum Betrachter durchlaufen, um als Geisterbild oder „Flare“ beim Betrachter zu erscheinen.
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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
- zentraler Strahlengang
- 4
- peripherer Lichtstrahl
- 6
- Eintrittsfenster
- 8
- Eintrittslinse
- 10
- erstes Prisma
- 11
- erste Grenzfläche
- 12
- erste gemeinsame Grenzfläche
- 13
- reflektierende Grenzfläche
- 20
- zweites Prisma
- 21
- reflektierende Grenzfläche
- 22
- reflektierende Grenzfläche
- 30
- Linse
- 31
- zweite gemeinsame Grenzfläche
- 40
- optischer Zement
- 60
- Prismenanordnung
- 61
- Prismenanordnung
- 70
- Prismenanordnung
- 71
- Prismenanordnung
- 72
- Prismenanordnung
