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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Negativlinse, die eine erste Fläche mit einer ersten optischen Oberfläche und eine zweite Fläche mit einer zweiten optischen Oberfläche, die der ersten optischen Oberfläche gegenüberliegt, aufweist, wobei die zweite optische Oberfläche eine konkave optische Oberfläche ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Endoskopobjektiv, das ein Umlenkprisma, wobei das Umlenkprisma eine Eintrittsfläche aufweist, und eine Negativlinse, wobei die Negativlinse eine erste Fläche mit einer ersten optischen Oberfläche und eine zweite Fläche mit einer zweiten optischen Oberfläche, die der ersten optischen Oberfläche gegenüberliegt, aufweist, wobei die zweite optische Oberfläche eine konkave optische Oberfläche ist, umfasst.
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Endoskopische Untersuchungstechniken sind in einer Vielzahl von medizinischen und veterinären Anwendungsgebieten sowie vielen nicht medizinischen Gebieten weit verbreitet. Bei derartigen Untersuchungstechniken wird ein Endoskop, das einen länglichen Schaft mit einem optischen Bildgebungssystem aufweist, in eine interne Kavität eines Körpers eines Menschen oder eines Tiers oder eines anderen zu untersuchenden Objekts eingeführt. Der längliche Schaft, der dazu konfiguriert ist, in die Kavität des Körpers oder eines anderen Objekts eingeführt zu werden, kann starr, halbstarr oder flexibel sein. In einem distalen (d. h. von einem Benutzer entfernten) Endabschnitt des länglichen Schafts ist ein Endoskopobjektiv angeordnet, um ein Bild eines Objektfelds in der Kavität des Körpers oder des Objekts in einer Bildebene zu erzeugen, wobei das Endoskopobjektiv typischerweise eine oder mehrere Negativlinsen umfasst. Das erzeugte Bild wird zu einem proximalen (d. h. nahe eines Benutzers) Ende des Endoskops übertragen, damit es durch den Benutzer betrachtet werden kann oder durch einen elektronischen Bildsensor, der mit einer Anzeige und/oder einer Speichereinrichtung verbunden ist, aufgegriffen wird. Um das Bild vom distalen zum proximalen Endabschnitt des Endoskops zu übertragen, kann der längliche Schaft einen Lichtleitfaser-Bildleiter oder eine Reihe von Übertragungslinsen umfassen. Alternativ dazu kann das durch das Endoskopobjektiv erzeugte Bild durch einen elektronischen Bildsensor, der im distalen Endabschnitt des Schafts angeordnet ist, aufgegriffen und elektronisch zum proximalen Endabschnitt des Endoskops übertragen werden.
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In Abhängigkeit von einer beabsichtigten Anwendung sind Endoskope mit verschiedenen Blickwinkeln bekannt. Insbesondere sind Schrägblick-Endoskope bekannt, die eine Blickrichtung aufweisen, die von einer Längsachse des Schafts abweicht. Derartige Schrägblick-Endoskope weisen typischerweise einen starren Schaft auf, dessen distales Ende ein Deckglas umfasst, das in einem schrägen Winkel in einer distalen Öffnung des Schafts montiert ist. Das Deckglas bildet ein distales Fenster für Lichtstrahlen, die vom Objektfeld kommen und in das Endoskopobjektiv eintreten. Das Objektiv eines derartigen Schrägblick-Endoskops umfasst gewöhnlich eine oder mehrere Linsen und mindestens ein Umlenkprisma, um das Licht, das in einem schrägen Winkel durch das distale Fenster in das Objektiv eintritt, in eine Richtung parallel oder fast parallel zur Längsachse des Schafts umzulenken. Gemäß einem wohlbekannten optischen Design von Objektiven für Schrägblick-Endoskope treten die einfallenden Lichtstrahlen, nachdem sie durch das Deckglas und eine erste Gruppe von Objektivlinsen laufen, durch eine schräg angeordnete Eintrittsfläche des Umlenkprismas in das Umlenkprisma ein. Auf ihrem Pfad durch das Umlenkprisma werden die Strahlen zweimal reflektiert. Die erste Reflexion tritt an einer ersten reflektierenden Ebene des Umlenkprismas auf, die schräg zur Längsachse ist, wobei die Strahlen zurück zur Eintrittsfläche reflektiert werden. Die zweite Reflexion, die eine interne Totalreflexion sein kann, tritt an der Eintrittsfläche auf, die als eine zweite reflektierende Ebene dient. Nach der zweiten Reflexion besitzen die einfallenden Lichtstrahlen eine Richtung, um in eine andere Gruppe von Objektivlinsen einzutreten, wobei sie in einer Bildebene des Endoskopobjektivs fokussiert werden, um ein Bild des Objektfelds zu bilden.
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Gemäß diesem optischen Design besitzt die Eintrittsfläche des Umlenkprismas eine doppelte Funktion. Erstens muss sie eine Übertragung der einfallenden Strahlen gestatten, so dass die Strahlen zur ersten reflektierenden Ebene laufen können, und zweitens muss sie eine Reflexion, vorzugsweise eine Totalreflexion, der Strahlen, die durch die erste reflektierende Ebene zurückreflektiert werden, in eine gewünschte Richtung, die im Allgemeinen parallel zur Längsachse ist, gestatten. Um die Totalreflexion zu gestatten und geringe Verluste zu garantieren, muss die Eintrittsfläche eine ausreichende Differenz der Brechungsindizes von der Innenseite zur Außenseite des Umlenkprismas bereitstellen.
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In
US 4,815,833 ist ein Objektiv für Endoskope offenbart, das ein längliches Prisma umfasst, an dessen distalem Ende eine Membran und eine Negativlinse durch Verkitten angefügt sind. Eine keilförmige eckige Membran aus Metall oder opakem Glas ist direkt an einer schräg geschnittenen Oberfläche des distalen Endabschnitts des Prismas verkittet. Die Negativlinse ist an der distalen Seite der Membran verkittet. Der Bildstrahl von der Linse läuft durch eine zentrale Öffnung der Membran und durch eine Oberfläche des Prismas, das keine reflektierende Beschichtung aufweist. Der Strahl trifft dann eine andere Oberfläche des Prismas und wird zurück zur zuerst genannten Oberfläche reflektiert. Dieses Mal ist der Einfallswinkel so groß, dass eine interne Totalreflexion auftritt und der Bildstrahl entlang der Achse des Prismas projiziert wird.
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In
US 4,850,342 ist ein hartes Endoskop des Schrägblicktyps beschrieben, bei dem eine vordere Objektivlinse parallel mit einer Ebene eines Deckglases mit einem geringen Abstand angeordnet und an einem Objektivprisma mit einem Rahmen befestigt ist.
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Des Weiteren ist es bekannt, eine schlüssellochförmige Membran zwischen dem Umlenkprisma und einer am Umlenkprisma montierten Negativlinse anzuordnen, um eine Luftschicht auf der ersten Oberfläche des Umlenkprismas bereitzustellen, die für die Totalreflexion eingesetzt wird.
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Das Positionieren einer Membran oder eines Rahmens zwischen dem Umlenkprisma und der Negativlinse ist problematisch und kann die Produktionskosten erhöhen. Des Weiteren können Staubkörner eingefangen werden, wodurch die optische Qualität des Objektivs verringert wird.
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Gemäß
DE 197 36 617 A1 wird in einem Endoskopobjektiv, das eine Blickrichtung einschließlich eines von null verschiedenen Winkels mit der Längsachse des Endoskops aufweist, auf einer Oberfläche einer Prismaeinheit eine dünne Schicht abgeschieden, die einen Brechungsindex aufweist, der kleiner als der Brechungsindex des Materials der Prismaeinheit ist. Die dünne Schicht liefert eine Totalreflexion an der entsprechenden Oberfläche der Prismaeinheit. Falls also ein optisches Element des Objektivs auf der dünnen Schicht platziert wird, wird kein mechanischer Abstandhalter benötigt. Die dünne Schicht kann jedoch zu einer Zunahme der Produktionskosten führen, kann nicht optimale Antireflexeigenschaften besitzen und der Brechungsindex der dünnen Schicht kann unerwünschterweise die Spanne von Einfallswinkeln, an denen die Totalreflexion auftritt, beschränken.
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Es ist daher eine Zielstellung der vorliegenden Erfindung, eine Negativlinse und ein Endoskopobjektiv bereitzustellen, die die oben erwähnten Probleme mindern. Insbesondere ist es eine Zielstellung der Erfindung, eine Negativlinse für ein Endoskopobjektiv bereitzustellen, die an einer Oberfläche eines Umlenkprismas des Endoskopobjektivs auf eine kostengünstige und effiziente Art und Weise montiert werden kann, ohne die Bildqualität zu verschlechtern. Es ist eine andere Zielstellung der vorliegenden Erfindung, ein Endoskopobjektiv bereitzustellen, das eine Negativlinse umfasst und auf eine kostengünstige und effiziente Art und Weise zusammengesetzt werden kann, ohne die Bildqualität zu verschlechtern.
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Diese Zielstellungen werden durch eine Negativlinse gemäß Anspruch 1 und ein Endoskopobjektiv gemäß Anspruch 10 erfüllt. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Negativlinse bereitgestellt, d. h. eine Linse mit negativer Brechkraft. Vorzugsweise ist die Negativlinse eine Einzellinse. Die Negativlinse kann jedoch ein verkittetes Duplett oder Triplett mit negativer Gesamtbrechkraft sein. Die Negativlinse weist eine erste Fläche mit einer ersten optischen Oberfläche und eine zweite Fläche mit einer zweiten optischen Oberfläche auf, wobei die erste und die zweite optische Oberfläche gegenüberliegend angeordnet sind, so dass Licht, das auf die erste optische Oberfläche in einem beschränkten Winkel zu einer optischen Achse der Linse einfällt, durch die Linse läuft und aus der Linse durch die zweite optische Oberfläche austritt. Die optische Achse ist eine Symmetrieachse der optischen Oberflächen. Die Negativlinse besteht aus einem transparenten Material, insbesondere optischem Glas. Die zweite optische Oberfläche ist eine konkave optische Oberfläche, die vorzugsweise eine sphärische Form besitzt. Die erste und/oder die zweite optische Oberfläche der Negativlinse kann bzw. können eine Antireflexbeschichtung aufweisen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Einschnitt in der zweiten Fläche ausgebildet, wobei der Einschnitt an die konkave optische Oberfläche angrenzt. Insbesondere ist eine Oberfläche des Einschnitts mit der konkaven optischen Oberfläche verbunden oder bildet eine Weiterführung der konkaven optischen Oberfläche. Die konkave optische Oberfläche und die Oberfläche des Einschnitts können ineinander übergehen, um eine kontinuierliche Oberfläche zu bilden.
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Wenn die Negativlinse an einer planaren Oberfläche montiert ist, wobei ihre zweite Fläche zur planaren Oberfläche ausgerichtet ist, bildet die konkave optische Oberfläche einen Hohlraum und der Einschnitt bildet eine Weiterführung des Hohlraums oder anders gesagt, gehen die durch die konkave optische Oberfläche und den Einschnitt gebildeten Hohlräume ineinander über, um einen vergrößerten kombinierten Hohlraum zu bilden. Der kombinierte Hohlraum kann mit Luft gefüllt sein, wodurch eine Luftschicht auf der planaren Oberfläche gebildet wird. Wenn die planare Oberfläche, auf der die Negativlinse montiert ist, eine Oberfläche eines optischen Elements ist, das für eine interne Totalreflexion eingesetzt wird, dient die Luftschicht dazu, einen kleinen Brechungsindex außerhalb des optischen Elements und somit eine große Differenz der Brechungsindizes zwischen der Innenseite und der Außenseite des optischen Elements bereitzustellen. Dies gestattet eine große Spanne von Einfallswinkeln von Strahlen, die an der planaren Oberfläche des optischen Elements vollständig intern reflektiert werden. Des Weiteren wird, da der Einschnitt zum Vergrößern des durch die konkave optische Oberfläche definierten Hohlraums dient und somit zum Vergrößern des Bereichs der planaren Oberfläche, der durch die Luftschicht abgedeckt wird, dient, der Gesamtbereich der planaren Oberfläche des optischen Elements vergrößert, der für eine interne Totalreflexion verfügbar ist. Dies gestattet, dass ein größerer Anteil von Strahlen, die innerhalb des optischen Elements zur planaren Oberfläche übertragen werden, vollständig intern reflektiert werden. Die Negativlinse kann dazu konfiguriert sein, direkt an der planaren Oberfläche des optischen Elements montiert zu sein, wobei ein Teilbereich der zweiten Fläche die planare Oberfläche berührt.
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Vorzugsweise ist die Negativlinse dazu konfiguriert, in einem Objektiv eines Endoskops eingesetzt zu werden, insbesondere im Objektiv eines Schrägblick-Endoskops. Die Negativlinse kann dazu konfiguriert sein, an einer Eintrittsfläche eines Umlenkprismas des Endoskopobjektivs angeordnet zu sein, insbesondere direkt auf die Eintrittsfläche verkittet zu sein, so dass die einfallenden Strahlen die Eintrittsfläche durchqueren und die Strahlen nach einer ersten Reflexion an der gleichen Oberfläche des Umlenkprismas vollständig intern reflektiert werden. Wenn die Negativlinse am Eintritt des Umlenkprismas montiert ist, wird die Fähigkeit des Objektivs, einfallendes Licht zu sammeln und ein Bild eines Objektfelds zu bilden, verbessert. Aufgrund des erhöhten Anteils der Oberfläche des Prismas, die für die Totalreflexion eingesetzt werden kann, gestattet die Negativlinse gemäß der Erfindung ein zweckmäßigeres Design des optischen Systems. Des Weiteren kann die Negativlinse auf eine einfache und effiziente Art und Weise am Umlenkprisma montiert werden, was eine stabile Einheit ausbildet.
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Vorzugsweise ist die Negativlinse eine plankonkave Linse. Eine plankonkave Linse ist besonders dafür geeignet, in einem Schrägblick-Endoskopobjektiv verwendet zu werden und insbesondere an der Eintrittsfläche des Umlenkprismas eines Schrägblick-Endoskopobjektivs verkittet zu werden. In einer plankonkaven Linse ist die optische Achse senkrecht zur ersten optischen Oberfläche, die eine planare Oberfläche ist, und durchquert die konkave optische Oberfläche an ihrem Scheitelpunkt. Alternativ dazu kann die Negativlinse eine bi-konkave Linse oder eine Negativmeniskuslinse sein.
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Vorteilhafterweise weist die Negativlinse an ihrer zweiten Fläche eine Einfassung auf, die die konkave optische Oberfläche und den Einschnitt umschließt, wobei die Einfassung eine planare Oberfläche aufweist. Die zweite Fläche der Negativlinse wird somit durch die konkave optische Oberfläche, wobei die Oberfläche des Einschnitts mit der konkaven optischen Oberfläche verbunden ist, und die planare Oberfläche der Einfassung gebildet. Falls der Einschnitt durch ein Entfernen von Linsenmaterial aus der zweiten Fläche der Negativlinse gebildet wird, kann die Einfassung als ein verbleibender Teil der zweiten Fläche angesehen werden, der über die konkave optische Oberfläche und die Oberfläche des Einschnitts herausragt. Vorzugsweise bildet die Einfassung einen geschlossenen Ring und die planare Oberfläche ist eine geschlossene Oberfläche, die die konkave optische Oberfläche und den Einschnitt umschließt. Insbesondere ist die planare Oberfläche der Einfassung senkrecht zur optischen Achse der Linse. Die planare Oberfläche der Einfassung ist besonders zum Verkitten der Negativlinse auf einer planaren Oberfläche geeignet, zum Beispiel auf der Eintrittsfläche eines Umlenkprismas eines Schrägblick-Endoskopobjektivs, die bündig mit der Oberfläche des Umlenkprismas ist. Auf diese Weise wird eine höchst sichere Befestigung der Negativlinse an der planaren Oberfläche erleichtert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Einschnitt asymmetrisch bezüglich der konkaven optischen Oberfläche und insbesondere asymmetrisch bezüglich der optischen Achse der Negativlinse konfiguriert. Vorteilhafterweise erstreckt sich der Einschnitt von der konkaven optischen Oberfläche nur oder hauptsächlich in eine laterale Richtung, wodurch der durch die konkave optische Oberfläche gebildete Hohlraum in die laterale Richtung vergrößert wird, wenn die Negativlinse an einer planaren Oberfläche montiert ist. Der Einschnitt dient somit zum Vergrößern des Bereichs einer planaren Oberfläche eines optischen Elements, der für eine interne Totalreflexion nutzbar ist, falls die Negativlinse auf der Oberfläche angeordnet ist, wobei sich der Einschnitt in eine derartige laterale Richtung erstreckt, in die Strahlen, die vollständig intern reflektiert werden sollen, bezüglich der optischen Achse der Negativlinse verschoben werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der Einschnitt symmetrisch bezüglich der konkaven optischen Oberfläche, d. h. symmetrisch bezüglich der optischen Achse der Negativlinse, konfiguriert. In diesem Fall kann die Einfassung als eine ringförmige Basis der Negativlinse an ihrer zweiten Fläche bildend angesehen werden. Wenn eine Negativlinse mit einem symmetrischen Einschnitt an einer planaren Oberfläche eines optischen Elements montiert ist, wird der Anteil der Oberfläche vergrößert, die für eine Totalreflexion verwendet werden kann.
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Vorzugsweise ist der Einschnitt eine stufenförmige Vertiefung. Falls der Einschnitt asymmetrisch ist, kann die Stufe in die konkave optische Oberfläche übergehen. Falls der Einschnitt symmetrisch ist, kann die Stufe kreisförmig sein und die konkave optische Oberfläche auf eine symmetrische Art und Weise umschließen. Eine stufenförmige Vertiefung in der zweiten Fläche der Negativlinse kann leicht hergestellt werden und stellt eine wohldefinierte Erweiterung des durch die konkave Oberfläche gebildeten Hohlraums bereit.
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Vorteilhafterweise ist eine Rückseite des Einschnitts eine planare Oberfläche. Auf diese Weise wird eine wohldefinierte Luftschicht bereitgestellt, falls die Negativlinse an einer planaren Oberfläche montiert ist. Die Rückseite ist vorzugsweise poliert, um Staub zu vermeiden und einen sauberen Zusammenbau zu erleichtern, muss aber nicht notwendigerweise von optischer Qualität sein.
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Vorzugsweise ist die Negativlinse in einem Stück ausgebildet. Insbesondere kann die Negativlinse durch ein Ausschleifen aus einem Block eines transparenten Materials hergestellt werden. Auf diese Weise wird die Herstellung erleichtert und die Stabilität verbessert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Endoskopobjektiv bereitgestellt, das ein Umlenkprisma und eine Negativlinse umfasst, insbesondere ist ein Schrägblick-Endoskopobjektiv bereitgestellt. Die Negativlinse ist vorzugsweise eine Einzellinse, kann aber ein verkittetes Duplett oder Triplett mit negativer Gesamtbrechkraft sein. Die Negativlinse weist eine erste Fläche mit einer ersten optischen Oberfläche und eine zweite Fläche mit einer zweiten optischen Oberfläche, die der ersten optischen Oberfläche gegenüberliegt, auf. Die zweite optische Oberfläche ist eine konkave optische Oberfläche, vorzugsweise eine sphärische Oberfläche. Das Umlenkprisma weist eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche auf. Die Eintrittsfläche und/oder die Austrittsfläche kann bzw. können eine Antireflexbeschichtung aufweisen. Die Negativlinse ist an einer distalen Seite der Eintrittsfläche des Umlenkprismas angeordnet. Das Umlenkprisma weist mindestens zwei reflektierende Ebenen auf, von der eine durch die Eintrittsfläche gebildet wird. Eine erste reflektierende Ebene kann angeordnet sein, um zumindest teilweise Lichtstrahlen, die durch die Eintrittsfläche in das Umlenkprisma eingetreten sind, in eine teilweise rückwärtsgerichtete Richtung zur Eintrittsfläche hin zu reflektieren. Die Eintrittsfläche, die die zweite reflektierende Ebene bildet, ist vorzugsweise angeordnet, um Lichtstrahlen, die von der ersten reflektierenden Ebene kommen, durch eine interne Totalreflexion zur Austrittsfläche hin zu reflektieren. Die Austrittsfläche des Umlenkprismas kann eine planare Oberfläche senkrecht zu einer Längsachse des Endoskopobjektivs sein. Das Endoskopobjektiv umfasst ferner eine proximale Linsengruppe, die an einer proximalen Seite des Umlenkprismas angeordnet ist, wobei die proximale Linsengruppe eine positive Gesamtbrechkraft aufweist, um ein Bild des Objektfelds in einer Bildebene zu erzeugen. Das Endoskopobjektiv kann ein Deckglas umfassen, das an einer distalen Seite der Negativlinse angeordnet ist. Das Endoskopobjektiv kann weitere Elemente umfassen, wie etwa Abstandhalter und Membranen.
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Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist die Negativlinse an der Eintrittsfläche des Umlenkprismas montiert, so dass eine Einfassung, die die konkave optische Oberfläche der zweiten Fläche der Linse umschließt, an die Eintrittsfläche des Umlenkprismas anstößt. Insbesondere ist die Negativlinse direkt an der planaren Oberfläche montiert, die die Eintrittsfläche des Umlenkprismas bildet. Vorzugsweise ist die Negativlinse direkt auf die planare Oberfläche verkittet, d. h. die Einfassung berührt direkt die planare Oberfläche des Umlenkprismas oder wird nur durch eine Schicht von optischem Kitt von der planaren Oberfläche getrennt, wobei die letztgenannte eine Antireflexbeschichtung aufweisen kann. Daher bilden die konkave optische Oberfläche der zweiten Fläche der Negativlinse und die Eintrittsfläche des Umlenkprismas einen Hohlraum, der typischerweise mit Luft gefüllt ist, wodurch eine Luftschicht auf der planaren Oberfläche gebildet wird.
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Die Negativlinse dient dazu, Strahlen, die von einem zu betrachtenden Objektfeld kommen, zu sammeln, was ein großes Sichtfeld ermöglicht. Nachdem die Strahlen die Negativlinse durchlaufen haben, treten sie durch die Eintrittsfläche des Umlenkprismas in das Umlenkprisma ein. Danach werden die Strahlen intern in eine teilweise rückwärtsgerichtete Richtung zur Eintrittsfläche hin reflektiert. Insbesondere werden die Strahlen durch die erste reflektierende Ebene zur Eintrittsfläche hin reflektiert. An der Eintrittsfläche, d. h. an der zweiten reflektierenden Ebene, tritt die interne Totalreflexion auf. Durch die interne Totalreflexion werden die Strahlen vorzugsweise zur Austrittsfläche des Umlenkprismas hin ausgerichtet. Nachdem die Strahlen durch die Austrittsfläche aus dem Umlenkprisma ausgetreten sind, können sie in die proximale Linsengruppe eintreten und werden in der Bildebene fokussiert. Das Endoskopobjektiv ist derart konzipiert, dass die Strahlen, die vom Objektfeld kommen und intern im Umlenkprisma zur Eintrittsfläche hin reflektiert worden sind, auf die Eintrittsfläche in einem Bereich der Eintrittsfläche einfallen, der durch die Luftschicht, die durch die konkave optische Oberfläche der zweiten Fläche der Negativlinse gebildet wird, abgedeckt ist.
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Da die Strahlen intern an der Eintrittsfläche des Umlenkprismas in dem Teil seiner Oberfläche an der distalen Seite reflektiert werden, an der sich der luftgefüllte Hohlraum befindet, wird eine hohe Differenz zwischen Brechungsindizes innerhalb und außerhalb des Umlenkprismas bereitgestellt, wodurch die Totalreflexion verbessert wird. Des Weiteren wird eine geeignete Positionierung des luftgefüllten Hohlraums ermöglicht, indem die Negativlinse an der Eintrittsfläche des Umlenkprismas montiert wird, zum Beispiel durch ein direktes Verkitten der Negativlinse auf die Eintrittsfläche. Auf diese Weise ist ein Endoskopobjektiv bereitgestellt, das verbesserte Charakteristiken bezüglich der Fähigkeit, einfallende Strahlen vom Objektfeld zu sammeln und ein Bild des Objektfelds zu bilden, aufweist und auf eine einfache, stabile und kostengünstige Art und Weise zusammengesetzt werden kann.
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Vorzugsweise ist die Negativlinse eine wie oben beschriebene Negativlinse. In diesem Fall bilden der kombinierte Hohlraum und die Eintrittsfläche des Umlenkprismas einen Hohlraum, was zu einer Luftschicht auf der Eintrittsfläche des Umlenkprismas führt, wobei der kombinierte Hohlraum durch die konkave optische Oberfläche der zweiten Fläche der Negativlinse und durch den Einschnitt gebildet wird. Auf diese Weise wird der Bereich der Eintrittsfläche, der für eine interne Totalreflexion genutzt werden kann, erhöht.
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Insbesondere ist das Endoskopobjektiv ein Schrägblick-Endoskopobjektiv, d. h., es ist als ein Objektiv für ein Schrägblick-Endoskop konfiguriert, das ein medizinisches oder ein nicht medizinisches Endoskop sein kann. Die Eintrittsfläche des Umlenkprismas kann in einem Winkel zu einer Längsachse des Endoskopobjektivs angeordnet sein. Das Schrägblick-Endoskop kann ein starres Endoskop sein, wobei die Längsachse des distalen Endabschnitts des Schafts eine Längsachse des Schafts ist. Beispielsweise kann das Schrägblick-Endoskopobjektiv eine Blickrichtung von etwa 45° aufweisen. Falls die Negativlinse einen Einschnitt aufweist, der asymmetrisch bezüglich der optischen Achse der Negativlinse ist, kann die Negativlinse so an der Eintrittsfläche des Umlenkprismas montiert sein, dass sich eine laterale Verschiebungsrichtung des Einschnitts bezüglich der optischen Achse in einer Halbebene, die durch eine Längsachse des Endoskopobjektivs und der Blickrichtung gebildet wird, befindet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Endoskopobjektivs bildet eine Blickrichtung, die durch die optische Achse der Negativlinse definiert wird, einen Winkel mit der Längsachse des Endoskopobjektivs. Die Eintrittsfläche des Umlenkprismas ist im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse der Negativlinse und die erste reflektierende Ebene ist mit etwa dem halben Winkel zur Längsachse des Endoskopobjektivs geneigt. Insbesondere weist das Umlenkprisma nur zwei reflektierende Ebenen auf, bei denen es sich um die erste reflektierende Ebene und die Eintrittsfläche handelt. Somit werden die Strahlen, die durch die Eintrittsfläche in das Umlenkprisma eintreten, zweimal intern reflektiert und treten aus dem Umlenkprisma durch die Austrittsfläche aus. Auf diese Weise kann ein Schrägblick-Endoskopobjektiv mit einem einfachen und effizienten optischen Design bereitgestellt werden.
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Am meisten bevorzugt ist das Endoskopobjektiv so konfiguriert, dass im Wesentlichen alle Strahlen, die durch die Eintrittsfläche in das Umlenkprisma eintreten, durch die Reflexion an der ersten reflektierenden Ebene zu dem Teil der Eintrittsfläche gerichtet werden, der durch einen Hohlraum, der zwischen der Negativlinse und der Eintrittsfläche gebildet wird, d. h. durch die konkave optische Oberfläche der zweiten Fläche der Negativlinse und, falls vorhanden, durch den Einschnitt, abgedeckt wird. In diesem Teil der Eintrittsfläche verbessert die Luftschicht die Totalreflexion, wodurch die Lichtsammlungs- und Bildgebungseigenschaften des Endoskopobjektivs verbessert werden.
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Die Merkmale der wie oben erwähnten und im Folgenden beschriebenen Erfindung gelten nicht nur in den erwähnten Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder alleine, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden aus den Figuren und der folgenden Beschreibung einer bestimmten Ausführungsform ersichtlich.
- 1a und 1b stellen eine Negativlinse gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einem axialen Querschnitt bzw. in einer axialen Ansicht dar;
- 2a und 2b stellen eine Negativlinse gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einem axialen Querschnitt bzw. in einer axialen Ansicht dar;
- 3 stellt einen Abschnitt eines Endoskopobjektivs, das eine Negativlinse gemäß der Ausführungsform der 1a und 1b umfasst, in einem Längsquerschnitt dar;
- 4 stellt einen distalen Endabschnitt eines Schrägblick-Endoskops, das das Objektiv von 3 umfasst, in einem Längsquerschnitt dar;
- 5 stellt einen Abschnitt eines Endoskopobjektivs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in einem Längsquerschnitt dar.
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In 1a ist eine Negativlinse gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einem axialen Querschnitt abgebildet. Die Negativlinse 1 weist eine erste Fläche mit einer planaren optischen Oberfläche 2 und eine zweite Fläche mit einer konkaven optischen Oberfläche 3 auf. Die zweite Fläche umfasst eine äußere Einfassung 4 mit einer ringförmigen planaren Oberfläche 5, die senkrecht zur optischen Achse 6 der Negativlinse 1 ist. Angrenzend zur konkaven optischen Oberfläche 3 und sich an diese anbindend ist ein Einschnitt 7 mit einer Stufe 8 und einer planaren Rückseite 9 ausgebildet. Wie in der in 1b dargestellten axialen Ansicht gesehen werden kann, erstreckt sich der Einschnitt 7 nur zu einer Seite der konkaven optischen Oberfläche 3. Die konkave optische Oberfläche 3 und der Einschnitt 7 werden durch die planare Oberfläche 5 umschlossen.
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Eine alternative Ausführungsform der Negativlinse ist in den 2a und 2b dargestellt, die die Negativlinse 11 auf eine ähnliche Weise wie hinsichtlich der 1a und 1b beschrieben abbilden. Die Negativlinse 11 ist eine plankonvexe Linse mit einer planaren Oberfläche 12 auf einer ersten Fläche und einer konkaven optischen Oberfläche 13 auf einer zweiten Fläche. Die Negativlinse 11 umfasst eine umlaufende Einfassung 14 mit einer ringförmigen planaren Oberfläche 15, die symmetrisch bezüglich einer optischen Achse 16 der Negativlinse 11 angeordnet ist. Ein Einschnitt 17 ist auf eine symmetrische Art und Weise an der Innenseite der Einfassung 14 angeordnet und wird durch eine Stufe 18 und eine planare Rückseite 19 gebildet. Die symmetrische Struktur der Negativlinse 11 ist in 2b deutlich zu sehen.
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In 3 ist ein Abschnitt eines Schrägblick-Endoskopobjektivs 20 in einem Längsquerschnitt dargestellt, der beispielhaft veranschaulicht, wie die Negativlinse 1 gemäß der Ausführungsform der 1a und 1b in ein Endoskopobjektiv 20 integriert werden kann. Es versteht sich, dass stattdessen die in den 2a und 2b dargestellte Negativlinse 11 im Endoskopobjektiv 20 eingesetzt werden könnte. In 3 ist nur ein Abschnitt des Schrägblick-Endoskopobjektivs 20 dargestellt, wobei das Objektiv weitere nicht dargestellte optische Elemente umfasst.
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Das optische System des Endoskopobjektivs 20 umfasst eine Glasplatte 21, die eine Deckplatte des Endoskopobjektivs 20 bildet, eine plankonkave Negativlinse 1 und ein keilförmiges Umlenkprisma 22. Das Umlenkprisma 22 weist eine Eintrittsfläche, die durch eine planare Oberfläche 23 gebildet wird, und eine Austrittsfläche 24 auf. Das Umlenkprisma 22 besteht aus zwei verkitteten prismatischen Elementen 22', 22" mit einer planaren Grenzfläche 25. Eine erste reflektierende Ebene des Umlenkprismas 22 wird durch die Grenzfläche 25 gebildet, die eine reflektierende Schicht umfassen kann. Eine zweite reflektierende Ebene des Umlenkprismas 22 wird durch die planare Oberfläche 23 gebildet, d. h. durch die Eintrittsfläche. Die Grenzfläche 25 ist bezüglich einer Längsrichtung des Endoskopobjektivs um etwa den halben Winkel geneigt, in dem die planare Oberfläche 23 geneigt ist. Falls die Blickrichtung 45° ist, ist die planare Oberfläche um etwa α = 45° zur Längsachse geneigt und die Grenzfläche um etwa a/2 = 22,5°. An ihrer proximalen Seite ist die Austrittsfläche 24 des Umlenkprismas 22 mit einem weiteren optischen Element verkittet, das zum Beispiel ein Glasblock 26 oder eine Positivlinse sein kann. Die Negativlinse 1 wird mit ihrer planaren Oberfläche 4 auf der Eintrittsfläche des Umlenkprismas 22 verkittet, d. h. an der planaren Oberfläche 23. Das Deckglas 21 wird auf der planaren optischen Oberfläche 2 der Negativlinse 1 verkittet, kann aber ebenso mit einem Luftspalt zwischen dem Deckglas 21 und der Negativlinse 1 angeordnet sein. Wie in 3 dargestellt, ist der Einschnitt 7 auf der planaren Oberfläche 23 des Umlenkprismas 22 von der konkaven optischen Oberfläche 3 in einer Halbebene, die durch die Blickrichtung und die Längsachse des Endoskopobjektivs definiert wird, verschoben angeordnet.
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Die von einem Objektfeld kommenden einfallenden Strahlen 27 werden durch die Glasplatte 21, die Negativlinse 1 und die planare Oberfläche 23 übertragen, um in das Umlenkprisma 22 einzutreten, werden an der Grenzfläche 25 des Umlenkprismas 22 zur planaren Oberfläche 23 hin reflektiert und werden an der planaren Oberfläche 23 des Umlenkprismas 22 in die Richtung einer Längsachse des Endoskopobjektivs 20 vollständig reflektiert. Da sich der Hohlraum 28, der durch die konkave optische Oberfläche 3 und den Einschnitt 7 gebildet wird, zu einer Seite der konkaven optischen Oberfläche 3 erstreckt, wird der Anteil des Bereichs der planaren Oberfläche 23, der für die interne Totalreflexion eingesetzt werden kann, in eine Richtung erweitert, die dafür benötigt wird, dass ein größerer Anteil von Strahlen in die proximale Längsrichtung reflektiert wird.
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In 4 ist das oben beschriebene Endoskopobjektiv 20, wie in einem distalen Endabschnitt eines Schafts 30 eines Schrägblick-Endoskops montiert, in einem Längsquerschnitt dargestellt. Der Endoskopschaft 30 umfasst einen starren äußeren Schaft 31 mit einer distalen Endfläche 32, die schräg zu einer Längsachse des Schafts 30 ist, was einer schrägen Blickrichtung von zum Beispiel 45° entspricht. Der Schaft 30 umfasst einen inneren Schaft 33, der einen Raum 34 zwischen dem inneren Schaft 33 und dem äußeren Schaft 31 bildet, wobei der Raum 34 Lichtleitfasern 35 (nicht ausführlich dargestellt) zum Übertragen von Beleuchtungslicht zur distalen Endfläche 32 beherbergt, um ein Objektfeld 36 zu beleuchten. Das optische System des Endoskopobjektivs 20 umfasst die Negativlinse 1, das Umlenkprisma 22, den Glasblock 26 (siehe 3) und weitere Linsen 37, 38, 39, die zum Beispiel Einzellinsen oder verkittete Dupletts sein können. Die Linsen 39, 38 und eine Einheit, die durch die Linse 37, den Glasblock 26, das Umlenkprisma 22 und die Negativlinse 1 gebildet wird, werden in einem distalen Endabschnitt eines Optikrohrs 40 gehalten; die zuletzt genannte Einheit kann auch die Glasplatte 21 umfassen. Zweckmäßige Luftlücken zwischen den Linsen 37, 38 und 39 werden durch ringförmige Abstandhalter 41, 42 erhalten. Des Weiteren kann das Optikrohr 40 in einer proximalen Richtung eine Anordnung von Übertragungslinsen (nicht dargestellt) beherbergen.
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Vom Objektfeld 36 kommende Lichtstrahlen 27 treten durch die Glasplatte 21 in das Endoskopobjektiv 20 ein und werden durch die Negativlinse 1 gesammelt. Wie oben beschrieben (siehe 3), treten die Lichtstrahlen 27 durch die planare Oberfläche 23 in das Umlenkprisma 22 ein, werden an der Grenzfläche 25 zurückreflektiert und werden durch eine interne Totalreflexion an der planaren Oberfläche 23 in eine im Wesentlichen axiale Richtung reflektiert. Die Strahlen werden dann durch den Glasblock 26 übertragen und werden durch die Positivlinsen 37, 38, 39 in eine Bildebene 43 fokussiert. Das in der Bildebene 43 gebildete Bild wird durch Übertragungslinsen (nicht dargestellt) zum proximalen Ende des Endoskops übertragen. Die Negativlinse 1 ist direkt auf die planare Oberfläche 23 des Umlenkprismas 22 verkittet. Das Umlenkprisma 22, das aus zwei prismatischen Elementen 22', 22" besteht, ist am Glasblock 26 verkittet. Wie in 4 abgebildet, ist der Einschnitt 7 der Negativlinse 1 so angeordnet, dass die Strahlen 27 vollständig an dem Teil der planaren Oberfläche 23 des Umlenkprismas 22 an der distalen Seite reflektiert werden, an dem ein luftgefüllter Raum oder eine Luftschicht durch die konkave optische Oberfläche 3 und den Einschnitt 7 gebildet wird.
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In 5 ist ein Abschnitt eines Endoskopobjektivs 50 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in einer Ansicht, die der von 3 entspricht, dargestellt. Im Gegensatz zu der in 3 abgebildeten Ausführungsform ist die Negativlinse 51 in diesem Fall eine bi-konkave Linse, die eine erste konkave optische Oberfläche 52 an ihrer ersten Fläche und eine zweite konkave optische Oberfläche 53 an ihrer zweiten Fläche aufweist. Die zweite konkave optische Oberfläche 53 wird durch eine geschlossene Einfassung 54 umschlossen, die eine planare Oberfläche aufweisen kann. Wie in 5 dargestellt, wird die Negativlinse 51 direkt auf die erste planare Oberfläche 23 des Umlenkprismas 22 verkittet, wobei die Einfassung 54 an die planare Oberfläche 23 des Umlenkprismas 22 anstößt. Die anderen optischen Elemente des Endoskopobjektivs, einschließlich einer Glasplatte 21, die auf einer die erste konkave optische Oberfläche umschließenden Einfassung verkittet ist, sind wie oben beschrieben konfiguriert (siehe 3 und 4). Wie in dieser Ausführungsform werden die Strahlen 27 an dem Teil der planaren Oberfläche 23 des Umlenkprismas 22 vollständig reflektiert, der durch einen luftgefüllten Raum abgedeckt ist, in diesem Fall wird der luftgefüllte Raum jedoch nur durch den durch die zweite konkave Oberfläche 53 gebildeten Hohlraum 55 bereitgestellt.
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Zur Verdeutlichung sind nicht alle Bezugsziffern in allen Figuren angezeigt. Falls eine Bezugsziffer nicht ausdrücklich in der Beschreibung einer Figur erwähnt ist, besitzt sie die gleiche Bedeutung wie in den anderen Figuren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Negativlinse
- 2
- Planare optische Oberfläche
- 3
- Konkave optische Oberfläche
- 4
- Einfassung
- 5
- Planare Oberfläche
- 6
- Optische Achse
- 7
- Einschnitt
- 8
- Stufe
- 9
- Rückseite
- 11
- Negativlinse
- 12
- Planare Oberfläche
- 13
- Konkave optische Oberfläche
- 14
- Einfassung
- 15
- Planare Oberfläche
- 16
- Optische Achse
- 17
- Einschnitt
- 18
- Stufe
- 19
- Rückseite
- 20
- Endoskopobjektiv
- 21
- Glasplatte
- 22
- Umlenkprisma
- 22', 22"
- Prismatisches Element
- 23
- Erste Oberfläche
- 24
- Austrittsfläche
- 25
- Grenzfläche
- 26
- Glasblock
- 26
- Strahl
- 28
- Hohlraum
- 30
- Schaft
- 31
- Äußerer Schaft
- 32
- Endfläche
- 33
- Innerer Schaft
- 34
- Raum
- 35
- Lichtleitfasern
- 36
- Objektfeld
- 37
- Linse
- 38
- Linse
- 39
- Linse
- 40
- Optikrohr
- 41
- Abstandhalter
- 42
- Abstandhalter
- 43
- Bildebene
- 50
- Objektiv
- 51
- Negativlinse
- 52
- Konkave optische Oberfläche
- 53
- Konkave optische Oberfläche
- 54
- Einfassung
- 55
- Hohlraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4815833 [0005]
- US 4850342 [0006]
- DE 19736617 A1 [0009]
