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Die Erfindung betrifft ein optisches System, umfassend mehrere optische Komponenten, die einen Strahlengang des optischen Systems festlegen. Außerdem betrifft die Erfindung ein chirurgisches Instrument, insbesondere ein Endoskop. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Montieren eines optischen Systems, bei dem das optische System aus mehreren optischen Komponenten zusammengesetzt wird, die im zusammengesetzten Zustand einen Strahlengang des optischen Systems festlegen.
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An die Bildqualität optischer Systeme, wie sie in chirurgischen Instrumenten, beispielsweise in Endoskopen, zum Einsatz kommen, werden stetig steigende Anforderungen gestellt. Bisher ist es ausreichend, die optischen Komponenten zu polieren und ihren Außendurchmesser mit relativ großer Toleranz einzustellen. Zum Montieren des optischen Systems werden die optischen Komponenten in einem Systemrohr, beispielsweise in einem Objektivrohr, angeordnet. Dabei ist zwischen den optischen Elementen und dem Systemrohr eine Spielpassung vorhanden. In Richtung einer optischen Achse des Systems befinden sich zwischen den optischen Elementen sog. Blendrohre, die die optischen Komponenten voneinander beabstandet in dem Systemrohr fixieren.
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Die vorgesehene Spielpassung lässt jedoch ein gewisses Spiel der einzelnen optischen Komponenten in radialer Richtung des Systemrohrs zu. Ferner können sich die optischen Komponenten geringfügig axial verschieben oder gegenüber der optischen Achse des Systems verkippen. Solche Abweichungen von der idealen Justage können sich negativ auf die Bildqualität des optischen Systems auswirken.
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Um die Abbildungsqualität des optischen Systems zu steigern, kann eine engere Tolerierung der Bauelemente (optische Elemente, Systemrohr) vorgesehen werden. Beispielsweise könnten Objektivhülsen mit sehr engen Toleranzen durch Ultrapräzisionsbearbeitung hergestellt werden. Die Kosten zur Herstellung solcher Bauteile sind jedoch recht hoch, was sich im Systempreis des chirurgischen Instruments niederschlagen würde. Zudem ist fraglich, ob ausschließlich durch eine engere Tolerierung die fortwährend steigenden Anforderungen an die Abbildungsqualität der optischen Systeme tatsächlich auch erreicht werden können.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein optisches System, ein chirurgisches Instrument sowie ein Verfahren zum Montieren eines optischen Systems anzugeben, welches die Möglichkeit für weitere Qualitätssteigerungen der Abbildungseigenschaften des optischen Systems bietet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein optisches System, umfassend mehrere optische Komponenten, die einen Strahlengang des optischen Systems festlegen, wobei das optische System dadurch fortgebildet ist, dass die optischen Komponenten in einem Bereich, der außerhalb des Strahlengangs liegt, jeweils zumindest eine Markierung umfassen, wobei die zumindest eine Markierung der optischen Komponente Informationen bezüglich einer räumlichen Anordnung dieser optischen Komponente in dem optischen System umfasst.
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Die optischen Komponenten weisen Markierungen auf, die die Möglichkeit bieten, die optischen Komponenten anhand der so vorhandenen Informationen zu justieren. Die Referenz in einem geeigneten Justieraufbau ist beispielsweise die optische Achse des optischen Systems. Informationen, welche die Markierungen bezüglich einer räumlichen Anordnung der entsprechenden optischen Komponente im optischen System umfassen, können sich also gemäß einem Ausführungsbeispiel auf eine Orientierung und/oder eine Lage einer optischen Achse der optischen Komponente beziehen.
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Die Justage der optischen Komponenten im System erlaubt eine weit höhere Präzision der Ausrichtung der optischen Komponenten relativ zueinander, als dies beispielsweise durch eine Verringerung der Fertigungstoleranzen möglich wäre. Das optische System gemäß Aspekten der Erfindung ist vorteilhaft beispielsweise als Optik für hochauflösende Abbildungsmodule (HD, 4K und nachfolgende), geeignet.
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Das optische System ist insbesondere ein optisches System eines chirurgischen Instruments, ferner insbesondere eines Endoskops.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die optische Komponente zumindest zwei Markierungen umfasst. Die Positionen dieser Markierungen kennzeichnen eine Orientierung und/oder eine Lage einer optischen Achse der optischen Komponente, beispielsweise einer Linse. Es handelt sich also bei der optischen Komponente insbesondere um eine Linse.
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Es ist in diesem Zusammenhang insbesondere vorgesehen, dass die zumindest zwei Markierungen eine Position eines Durchstoßpunkts der optischen Achse der Linse durch eine Hauptebene der Linse markieren.
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Die Markierung der Position eines Durchstoßpunkts der optischen Achse der Linse durch die Hauptebene der Linse ist ein Beispiel dafür, wie die Positionen der zumindest zwei Markierungen eine Lage der optischen Achse kennzeichnen.
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Beispielsweise liegen die Markierungen auf einem Kreisbogen, dessen Zentrum der Durchstoßpunkt der optischen Achse durch die Hauptebene der Linse ist. Um ein gut zentriertes optisches System bereitzustellen, ist es dann nicht mehr von entscheidender Bedeutung, den Rand der Linsen so weit abzuschleifen, dass die optische Achse der Linse exakt in der Mitte eines durch den Rand der Linse definierten Kreises liegt. Die Justage kann einfach und effizient anhand der vorhandenen Markierungen vorgenommen werden. Zur Durchführung der Justage ist beispielsweise die Linsenhalterung oder Linsenaufnahme verstellbar eingerichtet. Ebenso kann ein Montier- oder Justageaufbau vorgesehen sein, in dem die Linsen oder optischen Elemente flexibel und insbesondere individuell justiert werden können. Nach erfolgter Justage werden die optischen Elemente fixiert, beispielsweise verklebt.
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Als weitere Referenz wird beispielsweise eine Planebene des optischen Elements verwendet. Dies trifft vor allem für optische Elemente zu, bei denen es sich um Plangläser, plan-konvexe oder plan-konkave Linsen handelt. Anhand der Planebene kann eine Verkippung des optischen Elements relativ zu einer optischen Achse eines optischen Systems korrigiert werden. Beispielsweise wird die Planebene senkrecht zu der optischen Achse ausgerichtet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die optische Komponente eine Linse ist und zumindest drei Markierungen vorgesehen sind, die eine Lage einer Hauptebene der Linse markieren.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die drei Markierungen in einer Ebene der Hauptebene liegen. So ist die Lage der Hauptebene im Raum durch die Positionen der drei Markierungen eindeutig festgelegt. Es ist nicht mehr notwendig, auf eine weitere Referenz, beispielsweise eine Planebene, zurückzugreifen. Die Hauptebene der Linse ist außerdem anhand der Positionen der drei Markierungen leicht erkennbar. So kann beispielsweise problemlos festgestellt werden, ob die optische Komponente lotrecht zur optischen Achse des optischen Systems ausgerichtet ist. Es wird also festgestellt, ob ihre Hauptebene senkrecht zur optischen Achse des optischen Systems steht, eine Information, die ansonsten der Lage eine Planebene entnommen würde.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass es sich bei den Markierungen um solche Markierungen handelt, die im Material der optischen Komponente vorhanden sind. Solche Markierungen werden auch als Glas-Innen-Markierungen bezeichnet. Sie nehmen innerhalb der optischen Komponente ein Volumen ein, welches außerhalb eines von dem Strahlengang eingenommenen weiteren Volumens liegt. Die Markierungen sind ferner bevorzugt permanente oder dauerhafte Markierungen, beispielsweise Lasermarkierungen. Diese werden beispielsweise mittels eines Kurzpulslasers oder Ultrakurzpulslasers in das Material der optischen Komponente eingebracht.
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Jedes optische Element verfügt über freies Volumen, in dem die Markierungen vorgesehen werden können. Der Strahlengang eines optischen Systems nimmt nämlich niemals das vollständige Volumen einer einzelnen optischen Komponente ein, es verbleibt in dem optischen Element stets Volumen, welches außerhalb eines von dem Strahlengang eingenommenen weiteren Volumens liegt. Die Markierungen befinden sich bevorzugt in einem Randbereich oder -volumen der jeweiligen optischen Komponente. Das Randvolumen ist beispielsweise ein Ring, der an den äußeren Mantel einer Linse angrenzt und sich entlang ihres Umfangs erstreckt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, die optischen Komponenten des optischen Systems durch die Markierungen zu individualisieren. Hierzu wird ein „Identifyer“ auf oder im Glas des Bauelements an- oder aufgebracht. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Nummer, einen Barcode, einen 2D-Code (QR-Code) oder dergleichen handeln. Es wird eine individuelle Zuordnung des markierten optischen Elements zu dessen individuellen optischen Eigenschaften möglich.
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Dementsprechend ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass die optische Komponente eine Linse ist und die Markierung ein Kennzeichnungsmerkmal ist, welches Informationen betreffend eine Lage einer optischen Achse der Linse, insbesondere einer Position eines Durchstoßpunkts der optischen Achse durch eine Hauptebene der Linse, und/oder eine Lage einer Hauptebene der Linse umfasst.
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Es ist gemäß einer weiteren Ausführungsform in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass ein Datensatz auf einem Datenträger gespeichert wird, der neben dem individuellen Kennzeichnungsmerkmal die Informationen betreffend die Lage der optischen Achse der Linse, der Position des Durchstoßpunkts der optischen Achse durch die Hauptebene der Linse und/oder der Lage der Hauptebene der Linse umfasst.
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Anhand dieses Datensatzes ist es mit Hilfe des Kennzeichnungsmerkmals möglich, Zugang zu Informationen zu erhalten, welche für die Justage der optischen Komponente in dem optischen System während dessen Herstellung wichtig sind. Beispielsweise sind unter einer entsprechenden Seriennummer Informationen bezüglich der Dezentrierung oder Verkippung der optischen Achse hinterlegt. Die Werte für die Dezentrierung oder Verkippung werden beispielsweise gegenüber einem Rand der Linse oder einem anderen geeigneten Koordinatensystem der Linse angegeben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kennzeichnungsmerkmal Informationen betreffend eine Abweichung der Lage der optischen Achse und/oder der Hauptebene der Linse von einer Solllage der optischen Achse oder einer Solllage der Hauptebene der Linse umfasst. Gleichsam kann also anhand des Kennzeichnungsmerkmals eine Art Fehler der Linse abgefragt werden.
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Ferner ist es gemäß weiterer Ausführungsbeispiele vorgesehen, dass in dem dem Kennzeichnungsmerkmal zugeordneten Datensatz weitere Informationen über das optische Element gespeichert werden. Beispielsweise können Informationen betreffend einen Farbfehler des optischen Elements, eine Aberration des optischen Elements oder dgl. bei der Produktion des optischen Elements ermittelt und in dem Datensatz gespeichert werden. So ist es möglich, beim Zusammenbau eines optischen Systems anhand der jeweiligen Kennzeichnungsmerkmale diejenigen optischen Elemente auszuwählen, deren Fehler sich gegenseitig kompensieren. So wird vorteilhaft die Möglichkeit geschaffen, auf fehlerkorrigierende optische Elemente (beispielsweise eine Linse mit negativem Meniskus) zu verzichten.
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Das Kennzeichnungsmerkmal ist nicht notwendigerweise im Volumen des optischen Elements vorgesehen. Es ist ebenso möglich, dieses beispielsweise auf eine äußere Mantelfläche einer Linse aufzubringen. Dies kann ebenfalls mittels Laserbearbeitung erfolgen. Ebenso ist es möglich, beispielsweise ein gedrucktes oder geätztes Kennzeichnungsmerkmal vorzusehen.
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Im Kontext der vorliegenden Beschreibung ist unter einer „im Material des optischen Elements vorhandenen Markierung“ eine solche Markierung zu verstehen, die sich nicht an der Oberfläche oder unmittelbar an der Oberfläche der optischen Komponente befindet. Auf oder unmittelbar an der Oberfläche befinden sich beispielsweise geritzte, geätzte oder aufgedruckte Markierungen. Diese unterscheiden sich beispielsweise von Glas-Innen-Markierungen, welche ein Beispiel für eine im Material der optischen Komponente vorhandene Markierung sind.
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Ist die zumindest eine Markierung ein Kennzeichnungsmerkmal, welches eine Abweichung, insbesondere der optischen Achse und/oder der Hauptebene, einer Linse von einer jeweiligen Solllage anzeigt, so ist es bei der späteren Montage des optischen Systems möglich, durch optimierte Anordnung einzelner ausgewählter optischer Komponenten in einem solchen optischen System einzelne Fehler der optischen Komponenten geschickt so miteinander zu kombinieren, dass diese sich gegenseitig kompensieren.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Einrichtung zum Montieren eines optischen Systems, welche dadurch fortgebildet ist, dass sie eine Vermessungsvorrichtung, eine Markiervorrichtung und eine Datenbankvorrichtung umfasst, wobei
die Vermessungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, die Linse individuell kennzeichnende optische Charakteristika zu bestimmen, nämlich die Lage der optischen Achse der Linse, die Position des Durchstoßpunkts der optischen Achse durch die Hauptebene der Linse, und/oder die Lage der Hauptebene der Linse,
die Datenbankvorrichtung dazu eingerichtet ist, die von der Vermessungsvorrichtung bestimmten optischen Charakteristika auf einem Datenspeicher abzuspeichern und mit einem für die Linse individuellen Kennzeichnungsmerkmal zu verknüpfen,
die Markiervorrichtung dazu eingerichtet ist, die Linse mit dem individuellen Kennzeichnungsmerkmal zu versehen,
und wobei die Datenbankvorrichtung ferner dazu eingerichtet ist, für ein vorbestimmtes optisches System anhand der auf dem Datenspeicher vorhandenen Daten für optische Charakteristika der Linsen, eine Kombination von Linsen für das vorgegebene optische System auszuwählen, die eine für das optische System optimale Abbildungsqualität liefern.
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Es ist gemäß einer Ausführungsform ebenso vorgesehen, dass die optischen Charakteristika der Linse gemeinsam mit dem Kennzeichnungsmerkmal in einem Datensatz auf dem Datenspeicher der Datenbankvorrichtung abgespeichert werden. Bei den optischen Charakteristika kann es sich gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ebenso um eine Abweichung der Lage der optischen Achse der Linse, der Position des Durchstoßpunkts der optischen Achse durch die Hauptebene der Linse und/oder der Lage der Hauptebene der Linse von einem jeweiligen Sollwert handeln. Entsprechend wird eine Kombination für das vorgegebene optische System ausgewählt, bei der sich diese Abweichung der einzelnen Linse derart kompensiert, dass für das optische System eine optimale Abbildungsqualität erreicht wird. Bei der Datenbankvorrichtung handelt es sich beispielsweise um einen Computer, eine Workstation oder dergleichen. Diese ist ebenso insbesondere mit einer Ausgabevorrichtung, beispielsweise einem Monitor, versehen, so dass entsprechende Informationen für die Auswahl der einzelnen Linsen des optischen Systems ausgegeben werden können.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein chirurgisches Instrument, insbesondere durch ein Endoskop, welches ein optisches System nach einem oder mehreren der zuvor genannten Ausführungsformen umfasst.
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Ein solches chirurgisches Instrument weist ein optisches System mit verbesserter Abbildungsqualität auf. Es kann daher insbesondere mit einem bildgebenden Modul/Sensor ausgerüstet werden, welches hochauflösende Bildinformationen (HD, 4K und nachfolgende) liefert. Ansonsten treffen auf das chirurgische Instrument gleiche oder ähnliche Vorteile zu, wie sie bereits im Hinblick auf das optische System erwähnt wurden.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zum Montieren eines optischen Systems, bei dem das optische System aus mehreren optischen Komponenten zusammengesetzt wird, die im zusammengesetzten Zustand einen Strahlengang des optischen Systems festlegen, wobei das Verfahren dadurch fortgebildet ist, dass die optischen Komponenten in einem Bereich, der außerhalb des Strahlengangs liegt, jeweils mit zumindest einer Markierung versehen werden, wobei die zumindest eine Markierung Informationen bezüglich einer räumlichen Anordnung der optischen Komponente in dem optischen System umfasst, und wobei das optische System unter Berücksichtigung dieser Information bezüglich der Anordnung der optischen Komponente zusammengesetzt wird.
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Auch auf das Verfahren zum Montieren des optischen Systems treffen gleiche oder ähnliche Vorteile zu, wie sie bereits im Hinblick auf das optische System erwähnt wurden, so dass auf Wiederholungen verzichtet werden soll.
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Es ist vorteilhaft möglich, ein optisches System mit einer verbesserten Abbildungsqualität herzustellen. Dabei wird ferner vorteilhaft der konstruktive Aufwand bei der und für die Herstellung eines solchen optischen Systems gering gehalten, zumindest jedoch nicht erhöht. Da die Justage der einzelnen optischen Komponenten vorteilhaft anhand der in oder an diesen jeweils vorhandenen Markierungen erfolgt, können gegebenenfalls sogar größere Fertigungstoleranzen akzeptiert werden, sowohl für eine Halterung/Aufnahme der optischen Elemente als auch für die optischen Elemente selbst. Dies senkt vorteilhaft die Herstellungskosten des optischen Systems.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Verfahren dadurch fortgebildet, dass eine Lage einer optischen Achse der optischen Komponente bestimmt wird und anschließend die optische Komponente mit zumindest zwei Markierungen versehen wird, wobei die Positionen der zumindest zwei Markierungen eine Orientierung und/oder Lage einer optischen Achse kennzeichnen.
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Ferner ist das Verfahren vorteilhaft dadurch fortgebildet, dass die optische Komponente eine Linse ist und ein Durchstoßpunkt der optischen Achse durch eine Hauptebene der Linse bestimmt wird, wobei die Linse derart mit den zumindest zwei Markierungen versehen wird, dass deren Lage den Durchstoßpunkt der optischen Achse durch die Hauptebene der Linse markieren.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verfahren dadurch fortgebildet ist, dass die optische Komponente eine Linse ist und eine Lage der Hauptebene der Linse bestimmt wird und anschließend die Linse derart mit zumindest drei Markierungen versehen wird, dass deren Positionen eine Lage einer Hauptebene der Linse markieren.
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Vorteilhaft liefern also die Positionen der zumindest zwei Markierungen Informationen über die Orientierung und/oder die Lage der optischen Achse bzw. der Hauptebene der Linse. Es ist beispielsweise möglich, einen Kreis zu konstruieren, auf dessen Kreisbogen die beiden Markierungen liegen und dessen Mittelpunkt die Lage der optischen Achse angibt.
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Ferner ist es vorgesehen, als Markierung ein Kennzeichnungsmerkmal vorzusehen. Dementsprechend zeichnet sich ein solches Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch aus, dass eine Lage einer optischen Achse, insbesondere eine Position eines Durchstoßpunkts der optischen Achse durch die Hauptebene der Linse, und/oder eine Lage einer Hauptebene der Linse bestimmt werden/wird, wobei als Markierung die Linse mit einem Kennzeichnungsmerkmal versehen wird, welches Informationen betreffend eine Lage einer optischen Achse, insbesondere einer Position eines Durchstoßpunkts der optischen Achse durch eine Hauptebene der Linse, und/oder eine Lage einer Hauptebene der Linse umfasst.
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Damit diese Informationen bei der Montage des optischen Systems verfügbar sind, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass ein Datensatz erzeugt wird, in welchem das Kennzeichnungsmerkmal mit den Informationen betreffend die Lage der optischen Achse, der Position des Durchstoßpunkts der optischen Achse durch die Hauptebene der Linse, und/oder die Lage der Hauptebene der Linse verknüpft ist.
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Vorteilhaft wird dieser Datensatz bei der Montage des optischen Systems verwendet. Durch die Zuordnung der nun bekannten und genau quantifizierten Fehler der Linse zu einer bestimmten Linse kann für ein vorbestimmtes optisches System anhand der auf dem Datenspeicher vorhandenen Daten für optische Charakteristika der Linsen, eine Kombination von Linsen für das vorgegebene optische System ausgewählt werden, die eine für das optische System optimale Abbildungsqualität liefert.
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Auch in diesem Zusammenhang ist wiederum vorgesehen, dass das Kennzeichnungsmerkmal Informationen betreffend eine Abweichung der Lager der optischen Achse und/oder der Hauptebene von der jeweiligen Solllage der optischen Achse bzw. der Hauptebene der Linse umfassen kann.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens erfolgt auf der Grundlage dieser Informationen bezüglich der Abweichungen von den Solllagen eine Auswahl optischer Komponenten bei der Montage eines optischen Systems derart, dass die Einflüsse der bekannten Abweichungen der Lage der optischen Achse und/oder der Hauptebene von einer jeweiligen Solllage derart sind, dass diese im hergestellten optischen System die dadurch bedingten Abbildungsfehler der einzelnen optischen Komponenten gegenseitig kompensieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verfahren dadurch fortgebildet, dass die zumindest eine Markierung im Material der optischen Komponente in einem Volumen erzeugt wird, welches nicht mit einem von dem Strahlengang eingenommenen weiteren Volumen überlappt. Bei einer solchen Markierung handelt es sich insbesondere um eine Glas-Innen-Markierung. Diese wird bevorzugt mithilfe eines Lasers, insbesondere eines Kurzpulslasers oder eines Ultrakurzpulslasers, hergestellt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist also vorgesehen, dass die optische Komponente mit einer Lasermarkierung als Markierung versehen wird.
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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 einen vereinfachten und schematischen Längsschnitt durch die optischen Komponenten eines Okulars als optisches System einschließlich den Strahlengang begrenzender Strahlen,
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2 eine entsprechende Darstellung für ein Objektiv als optisches System,
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3 eine entsprechende abschnittsweise Darstellung für eine Relay-Optik als optisches System,
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4 eine schematisch vereinfachte Ansicht eines chirurgischen Instruments mit einem optischen System,
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5 eine schematische vereinfachte Draufsicht auf zwei optische Komponenten eines optischen Systems, welche bezüglich der Lage ihrer jeweiligen optischen Achse relativ zueinander justiert werden,
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6 eine schematisch vereinfachte Darstellung zweier optischer Komponenten eines optischen Systems in einem Längsschnitt, wobei diese bezüglich der Orientierung ihrer optischen Achsen justiert werden und
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7 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer Einrichtung zum Montieren eines optischen Systems.
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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 vereinfachter und schematischer Längsschnittansicht ein optisches System 2, bei dem es sich beispielhaft um ein Okular 24 eines Endoskops handelt. Die vorliegende Beschreibung nimmt lediglich beispielhaft auf das optische System 2 eines Endoskops Bezug. Die das optische System 2 betreffenden Erläuterungen treffen allgemein auf optische Systeme 2 zu, wie sie in chirurgischen Instrumenten, aber auch in fotografischen Instrumenten, Kameramodulen oder dgl. zum Einsatz kommen.
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Das optische System 2 umfasst als optische Komponente 4 ein erstes Linsenpaar 6a, welches ferner beispielhaft eine Kombination aus einer konvex-konkaven Linse und einer bikonvexen Linse ist. Außerdem umfasst das optische System 2 ein Austrittsfenster 8, welches ebenfalls als optische Komponente 4 angesehen wird, da sein Einfluss auf die Abbildungsleistung des optischen Systems 2 zwar gering aber nicht zu vernachlässigen ist.
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2 zeigt in einer weiteren vereinfachten und schematischen Längsschnittansicht ein weiteres optisches System 2, beispielhaft ein Objektiv 18 eines Endoskops. Durch ein Eintrittsfenster 10, welches ebenso wie das in 1 gezeigte Austrittsfenster 8 ein Teil des optischen Systems 2 ist und somit als optische Komponente 4 angesehen wird, treten Lichtstrahlen 12 aus einem Objektraum in eine Eintrittslinse 6a des Objektivs 18 ein. Die Eintrittslinse 6b, ebenso wie die darauffolgende Stablinse 6c, das zweite Linsenpaar 6d und das dritte Linsenpaar 6e, sind optische Komponenten 4 des optischen Systems 2.
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3 zeigt einen vereinfachten und schematischen Längsschnitt in einer abschnittsweisen Darstellung eines weiteren optischen Systems 2, nämlich beispielhaft einer Relay-Optik 20 eines Endoskops. Diese umfasst ein Doppellinsenpaar 6f sowie eine weitere Stablinse 6g.
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4 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung ein chirurgisches Instrument 14, beispielhaft ein Endoskop. Im Schaft 16 des chirurgischen Instruments 14 sind ein Objektiv 18 sowie eine Relay-Optik 20 angeordnet. Im Handgriff 22 befindet sich ein Okular 24. Aus einem Beobachtungsfeld tritt Licht durch das Eintrittsfenster 10 in das Objektiv 18 ein. Durch das Austrittsfenster 8 tritt Licht aus dem optischen System des chirurgischen Instruments 14 in Richtung eines Benutzers aus.
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Die durch die optischen Systeme 2 geführten und durch das Eintrittsfenster 10 in das Objektiv 18 eintretenden Lichtstrahlen 12 (vgl. 2) definieren innerhalb der optischen Systeme 2 einen Strahlengang 26. Der Strahlengang 26 ist begrenzt durch äußere Grenzstrahlen 28. Diese definieren also den Strahlengang 26 innerhalb der optischen Komponenten 4, genauer ein von dem Strahlengang 26 in den optischen Komponenten 4 eingenommenes Volumen.
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Es ist möglich, das Okular 24, das Objektiv 18 oder die Relay-Optik 20 einzeln als jeweils ein optisches System aufzufassen. Ebenso können diese Komponenten gemeinsam, so wie sie beispielsweise in einem Endoskop zusammenwirken, als ein einziges optisches System 2 aufgefasst werden.
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Die optischen Komponenten 4 weisen in einem Bereich, der außerhalb des Strahlengangs 26 liegt, jeweils zumindest eine Markierung 30 auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Markierungen 30 an lediglich einigen der optischen Elemente 4 dargestellt. Es kann sich sowohl um Markierungen 30 handeln, die im Material der optischen Komponente 4 vorhanden sind, als auch um solche Markierungen 30, welche auf der Oberfläche, beispielsweise auf der Mantelfläche einer Linse, der optischen Komponente vorhanden sind. Im Material vorhandene Markierungen 30 werden vielfach auch als Glas-Innen-Markierungen bezeichnet. Sie nehmen innerhalb der optischen Komponente 4, beispielsweise innerhalb einer der Linsen 6a oder 6c, ein Volumen ein, welches außerhalb des Strahlengangs 26 liegt, also mit einem durch die Grenzstrahlen begrenzten Volumen des Strahlengangs 26 nicht überlappt.
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Es handelt sich bei der Markierung 30 insbesondere um eine Lasermarkierung. Sofern sich die Markierung 30 auf der Oberfläche der optischen Komponente 4 befindet, ist es ebenso möglich, dass es sich um eine geätzte, geritzte oder aufgedruckte Markierung 30 handelt.
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Abweichend von der Darstellung in den 1 bis 3 ist vorgesehen, dass jede optische Komponente 4 mit zumindest einer Markierung 30 versehen ist. Diese Markierung bzw. Markierungen 30 liefern Informationen bezüglich einer räumlichen Anordnung der betreffenden optischen Komponente 4 in dem optischen System 2.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die optische Komponente 4 zumindest zwei, insbesondere drei, Markierungen 30. Die Positionen dieser Markierungen kennzeichnen eine Orientierung und/oder eine Lage einer optischen Achse der optischen Komponente, beispielsweise die Position oder Orientierung einer optischen Achse einer Linse. Es ist beispielsweise möglich, einen Kreis zu konstruierten, auf dessen Kreisbogen zwei Markierungen 30 liegen. Der Mittelpunkt dieses Kreises gibt die Lage der optischen Achse an. Soll beispielsweise auch eine Verkippung der Linse korrigiert werden, so wird als weitere Referenz beispielsweise eine Planebene des optischen Elements verwendet. Dies trifft beispielsweise für Plangläser, plan-konvexe oder plan-konkave Linsen als optische Elemente zu. Anhand der Planebene kann eine Verkippung des optischen Elements relativ zu einer optischen Achse eines optischen Systems korrigiert werden. Beispielsweise wird die Planebene senkrecht zu der optischen Achse ausgerichtet. Drei Markierungen 30 werden verwendet, wenn auf die zusätzliche Referenz verzichtet, das optische Element aber dennoch eindeutig im Raum ausgerichtet werden soll.
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5 zeigt eine schematisch vereinfachte Draufsicht auf zwei optische Komponenten 4, beispielhaft eine erste Linse 32 und eine zweite Linse 34. Die erste Linse 32 umfasst drei Markierungen 30a, 30b und 30c, welche beispielhaft als Sternchen dargestellt sind. Es handelt sich ferner beispielhaft um Markierungen 30a...30c, welche im Material der Linse 32 vorhanden sind, also beispielsweise um Glas-Innen-Markierungen. Diese sind z.B. mithilfe eines Lasers in die erste Linse 32 eingebracht worden. Die Markierungen 30a...30c der ersten Linse 32 liegen auf einem gemeinsamen ersten Kreisbogen 33, in dessen Zentrum sich die erste optische Achse 36 befindet. So kennzeichnen die drei Markierungen 30a...30c eine Position der optischen Achse 36 der ersten Linse 32. Genauer gesagt markieren die Positionen der drei Markierungen 30a...30c indirekt über ihre Lage auf dem gedachten Kreisbogen 33 eine Position eines Durchstoßpunkts der optischen Achse 36 durch eine Hauptebene der ersten Linse 32. Prinzipiell wäre eine solche Konstruktion auch mit lediglich zwei der drei Markierungen 30a...30c möglich.
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Die zweite Linse 34 umfasst ebenfalls beispielhaft drei Markierungen 30d, 30e und 30f, welche mit Kreuzchen dargestellt sind. Auch diese Markierungen 30d...30f liegen auf einem gedachten gemeinsamen Kreisbogen, nämlich auf dem zweiten Kreisbogen 35. Im Zentrum des zweiten Kreisbogens 35 befindet sich die zweite optische Achse 38 der zweiten Linse 34. So markieren die Markierungen 30d...30f, genauer ihre Lage, die Lage der zweiten optischen Achse 38 der zweiten Linse 34. Ebenso wie bei der ersten Linse 32 definieren die Markierungen 30d...30f der zweiten Linse 34 einen Durchstoßpunkt der zweiten optischen Achse 38 durch eine Hauptebene der zweiten Linse 34. Auch hier wäre prinzipiell eine Konstruktion des Kreisbogens anhand von lediglich zwei der drei Markierungen 30d...30f möglich.
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Es wird bei dieser Art der Markierung der Lage der optischen Achsen 36, 38 stets als bekannt vorausgesetzt, dass sich die Markierungen 30a...30f einer Linse 36, 38 auf einem gemeinsamen Kreisbogen befinden.
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Es ist nun möglich, ein optisches System 2, welches beispielhaft aus der ersten Linse 32 und der zweiten Linse 34 aufgebaut sein soll, lediglich anhand der Lage der Markierungen 30a...30f zu zentrieren. Hierzu werden die Positionen der Markierungen 30a...30f beispielsweise mit einer Kamera erfasst und die jeweilige Lage der optischen Achse 36, 38 wird berechnet. Um die beiden Linsen 32, 34 zu zentrieren, wird beispielsweise die erste Linse 32 um den mit einem Pfeil angedeuteten Verschiebevektor 40 verschoben. Nach einer solchen Verschiebung liegen die erste und die zweite optische Achse 36, 38 in der in 5 dargestellten Draufsicht aufeinander. Die beiden Linsen 32, 34 sind zentriert.
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Vorteilhaft wird diese Zentrierung lediglich anhand der Lage der Markierungen 39a...30f vorgenommen. Es ist somit für die Zentrierung des optischen Systems 2 nicht mehr nötig oder gar kritisch, dass ein äußerer Rand der optischen Elemente 4 exakt so geschliffen ist, dass im Zentrum eines von diesem definierten Kreises die jeweilige optische Achse 36, 38 der Linse 32, 34 liegt. Dies vereinfacht die Herstellung der Linsen 32, 34.
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Anschließend wird das optische System 32 noch im Hinblick auf die Orientierung der optischen Achsen 36, 38 seine optischen Elemente 4, nämlich der Linsen 32, 34, justiert.
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6 zeigt in einer schematisch vereinfachten Darstellung einen Längsschnitt durch ein beispielhaftes optisches System 2, welches die zuvor in 5 in Draufsicht gezeigte erste Linse 32 und zweite Linse 34 umfasst. Die Markierungen 30a...30c kennzeichnen die Position einer ersten Hauptebene 42 der ersten Linse 32. Mit anderen Worten liegen die Markierungen 30a...30c in einer Ebene der ersten Hauptebene 42. Durch die Verwendung von drei Markierungen 30a...30c ist die Lage der Hauptebene 42 im Raum eindeutig bestimmt. Die erste Hauptebene 42 steht senkrecht zur ersten optischen Achse 36 der ersten Linse 32. Die Markierungen 30a...30c liegen nicht notwendigerweise in der in 6 gezeigten Schnittebene. Genauer gesagt handelt es sich also bei den dargestellten Sternchen nicht um die Markierungen 30a...30c selbst, sondern um deren Projektionen in die in 6 dargestellte Schnittebene.
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Gleiches gilt für die drei Markierungen 30d...30f, welche eine Lage einer zweiten Hauptebene 44 der zweiten Linse 34 markieren. Senkrecht zu der zweiten Hauptebene 44 steht die zweite optische Achse 38 der zweiten Linse 34. lediglich aus Gründen der besseren Darstellbarkeit sind die zweite optische Achse 38 und die zweite Hauptebene 44 in gestrichelter Linie dargestellt.
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Das in 6 beispielhaft gezeigte optische System 2 ist aus Gründen der besseren Darstellbarkeit übertrieben dejustiert dargestellt. So schließt die erste optische Achse 36 der ersten Linse 32 mit der zweiten optischen Achse 38 der zweiten Linse 34 einen Winkel α ein, welcher im Vergleich zu realistischen Verkippungen zu groß dargestellt ist. Um das optische System 2, beispielhaft bestehend aus der ersten Linse 32 und der zweiten Linse 34, zu justieren, wird beispielsweise die zweite Linse 34 um den Winkel –α verkippt. Die zweite optische Achse 38 der zweiten Linse 34 kommt dann auf der ersten optischen Achse 36 der ersten Linse 32 zu liegen.
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Um eine vollständige Justierung vorzunehmen, ist insbesondere die Betrachtung und Justage der Linsen 32, 34 aus einer um 90° um die optischen Achsen 36, 38 gedrehten Perspektive erforderlich. Hierzu werden die in 6 gezeigten Linsen 32, 34 beispielsweise von oben betrachtet und so wie eben beschrieben justiert.
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Das optische System 2 ist anschließend ausschließlich unter Verwendung der Lage der Markierungen 30a...30f ausgerichtet und zentriert worden. Die Linsen 32, 34 werden anschließend insbesondere fixiert, beispielsweise mit einem Objektivrohr verklebt oder in diesem vergossen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass eine Linse, beispielhaft wird auf die zweite Linse 34 Bezug genommen, alternativ oder zusätzlich zu den Markierungen 30d...30f eine weitere Markierung 45 aufweist, die ein Kennzeichnungsmerkmal ist. Das Kennzeichnungsmerkmal ist beispielsweise eine Nummer, ein Code oder dgl., die/der auf einer Mantelfläche 46 der Linse 34 aufgebracht ist. Beispielsweise ist die Markierung aufgedruckt oder in die Oberfläche geätzt. Es ist ebenso möglich, dass die als Kennzeichnungsmerkmal ausgebildete Markierung 45 eine Glas-Innen-Markierung ist, so wie es am unteren Rand der zweiten Linse 34 in 6 angedeutet ist.
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Das Kennzeichnungsmerkmal umfasst Informationen betreffend eine Lage der optischen Achse 38 der Linse 34, insbesondere Informationen betreffend eine Position eines Durchstoßpunktes der optischen Achse 38 durch eine Hauptebene 44 der Linse 34. Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass die als Kennzeichnungsmerkmal ausgebildete Markierung 45 Informationen betreffend eine Lage der Hauptebene 44 der Linse 34 umfasst.
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Beispielsweise sind in dem Kennzeichnungsmerkmal Daten codiert, welche eine Lage der optischen Achse 38 und/oder Informationen betreffend eine Lage der Hauptebene 44 und/oder deren Orientierung angeben. Die Angabe dieser Werte erfolgt beispielsweise in Bezug auf eine Orientierung der Mantelfläche 46 der Linse 34. Ebenso ist vorgesehen, dass das Kennzeichnungsmerkmal, beispielsweise ein Strichcode oder eine Nummer, einen Datensatz kennzeichnet, in dem die entsprechenden Informationen hinterlegt sind.
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Zunächst ist es jedoch erforderlich, die Lage und/oder die Position der optischen Achse 38 und/oder der Hauptebene 44 der Linse 34 zu bestimmen. Dies erfolgt beispielsweise in einer Einrichtung 50 zum Montieren eines optischen Systems 2, wie sie beispielhaft, vereinfacht und schematisch in 7 gezeigt ist.
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Die gezeigte Einrichtung 50 umfasst eine Vermessungsvorrichtung 52, eine Markiervorrichtung 54 und eine Datenbankvorrichtung 56, beispielsweise einen Computer, eine Workstation oder dgl.
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Die Vermessungsvorrichtung 52 umfasst beispielsweise eine auf einer optischen Bank 58 montierte Beleuchtungsvorrichtung 60, welche ein Testmuster durch die Linse 34 auf eine Kamera 62 projiziert. Alle diese Komponenten sind auf der gemeinsamen optischen Bank 58 montiert. Durch Auswertung des durch die Linse 34 projizierten Testmusters anhand des von der Kamera 62 aufgenommenen Bildes ist die Vermessungsvorrichtung 52 in der Lage, die Linse 34 individuell kennzeichnende optische Charakteristika zu bestimmen. Insbesondere wird die Lage der optischen Achse 38 der zweiten Linse 34, die Position eines Durchstoßpunktes der optischen Achse 38 durch die Hauptebene 44 der Linse 34 und/oder die Lage der Hauptebene 44 der Linse 34 bestimmt. Die Lage bzw. Position der optischen Achse 38 und/oder der Hauptebene 44 wird beispielsweise in einem Koordinatensystem angegeben, welches sich auf eine Mantelfläche 46 der zweiten Linse 34 bezieht. Alle diese Daten werden über die Datenverbindung 64 an die Datenbankvorrichtung 56 übertragen. In der Datenbankvorrichtung 56 werden nun die von der Vermessungsvorrichtung 52 bestimmten optischen Charakteristika der zweiten Linse 34 auf einem Datenspeicher abgespeichert und mit einem für die zweite Linse 34 individuellen Kennzeichnungsmerkmal verknüpft. Ebenso ist vorgesehen, dass ein Kennzeichnungsmerkmal erzeugt/generiert wird, in dem diese Informationen codiert sind.
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Anschließend wird die zweite Linse 34 in die Markiervorrichtung 54 verbracht. Dort wird die Linse 34 mit einem individuellen Kennzeichnungsmerkmal versehen. Hierzu umfasst die Markiervorrichtung 54 beispielsweise einen Laser 66, der über die weitere Datenverbindung 65 mit der Datenbankvorrichtung 56 gekoppelt ist. Die Datenbankvorrichtung 56 ist insbesondere auch dazu eingerichtet den Laser zum Durchführen des Markierungsprozesses anzusteuern.
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Mithilfe des Lasers 66 wird in der Linse 34 beispielsweise eine Glas-Innen-Markierung eingebracht. Bei dieser handelt es sich beispielsweise um einen Strichcode oder um eine Nummer. Dieser/diese ist einem Datensatz zugeordnet, in dem die zuvor bestimmten optischen Charakteristika der Linse 34 hinterlegt sind. Der Datensatz ist auf einem Datenspeicher der Datenbankvorrichtung 56 abgespeichert. Auch die Einheiten der Markierungsvorrichtung 54 sind beispielsweise auf einer gemeinsamen optischen Bank 58 angeordnet.
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Die Datenbankvorrichtung 56 ist ferner dazu eingerichtet, für ein vorbestimmtes optisches System 2, anhand von auf ihrem Datenspeicher vorhandenen Daten für die optischen Charakteristika der das optische System bildenden Linsen, eine optimale Kombination zu bestimmen. Die Auswahl erfolgt so, dass sich die optischen Charakteristika oder Fehler der speziell ausgewählten Linsen im gewünschten optischen System 2 gerade so kompensieren, dass ein optisches System 2 mit optimaler Abbildungsqualität bereitgestellt werden kann. Beispielsweise korrigiert der Fehler einer ersten Linse 32 denjenigen der zweiten Linse 34. Ebenso ist denkbar, dass bei Vorhandensein eines bestimmten Fehlers einer ersten Linse 32 eine zweite Linse 34 ausgewählt wird, für die ein solcher Fehler im Hinblick auf die Abbildungsleistung des gesamten Systems unkritisch ist.
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Um für die Montage des optischen Systems 2 die passenden optischen Elemente 2 auszuwählen, werden beispielsweise auf einem Bildschirm oder einer Anzeigevorrichtung der Datenbankvorrichtung 56 diejenigen individuellen Kennzeichnungsmerkmale, beispielsweise Seriennummern oder dgl. ausgegeben, welche die gewünschten optischen Elemente 4 kennzeichnen. Es ist ebenso möglich, dass die Datenbankvorrichtung 56 einen Scanner oder dgl. umfasst, mit dem beispielsweise ein in oder an der Linse 32, 34 vorhandener Code eingescannt wird. Durch Verknüpfung dieses Kennzeichnungsmerkmals mit den auf einer Datenbank der Datenbankvorrichtung 56 gespeicherten individuellen optischen Eigenschaften des optischen Elements kann eine Ausgabe erfolgen, die die passenden optischen Komponenten 4 für ein optisches System 2 mit optimaler Abbildungsqualität angibt.
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In Bezug auf die Einrichtung 50 zum Montieren des optischen Systems 2 ist lediglich beispielshaft auf die zweite Linse 34 Bezug genommen worden. Die obigen Ausführungen gelten in entsprechender Art und Weise selbstverständlich auch für alle anderen optischen Komponenten 4 des optischen Systems 2.
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Bei einem Verfahren zum Montieren eines optischen Systems 2 eines chirurgischen Instruments 14, beispielsweise eines Endoskops, wird also das optische System 2 aus mehreren optischen Komponenten 4, beispielsweise aus mehreren Linsen 32, 34, zusammengesetzt. Im zusammengesetzten Zustand definieren die optischen Komponenten 4 des optischen Systems 2 einen Strahlengang 26 des optischen Systems 2.
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In einem Bereich, der außerhalb des Strahlengangs 26 liegt, ist jede der optischen Komponenten 4 des optischen Systems 2 mit zumindest einer Markierung 30, 30a...30f, 45 versehen. Diese zumindest eine Markierung 30, 30a...30f, 45 umfasst Informationen bezüglich einer räumlichen Anordnung der optischen Komponente 4 in dem optischen System 2.
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Bei dieser Information handelt es sich, wie im Zusammenhang mit den 5 und 6 erläutert, beispielsweise um von den Positionen der Markierungen 30a...30f bezeichnete eine Lage und/oder Orientierung einer optischen Achse 36, 38 und/oder einer Hauptebene 42, 44 der Linsen 32, 34. Es ist ebenso vorgesehen, dass die Markierung 45 ein Kennzeichnungsmerkmal ist, welches Informationen betreffend die Lage der optischen Achse 36, 38 oder der Hauptebene 42, 44, beispielsweise in Bezug auf eine Mantelfläche oder einen Rand der optischen Komponente 4 umfasst.
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Anschließend werden die optischen Komponenten 4, also beispielsweise eine erste und eine zweite Linse 32, 34 unter Ausnutzung der in den Markierungen 30a...30c, 30d...30f bzw. der in dem Kennzeichnungsmerkmal vorhandenen oder damit verknüpften Informationen zu einen optischen System 2 mit optimaler Abbildungsleistung zusammengesetzt.
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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
- optisches System
- 4
- optische Komponenten
- 6a
- erstes Linsenpaar
- 6b
- Eintrittslinse
- 6c
- Stablinse
- 6d
- zweites Linsenpaar
- 6e
- drittes Linsenpaar
- 6f
- Doppellinsenpaar
- 6g
- weitere Stablinse
- 8
- Austrittsfenster
- 10
- Eintrittsfenster
- 12
- Lichtstrahlen
- 14
- chirurgisches Instrument
- 16
- Schaft
- 18
- Objektiv
- 20
- Relay-Optik
- 22
- Griff
- 24
- Okular
- 26
- Strahlengang
- 28
- Grenzstrahlen
- 30, 30a...30f, 45
- Markierung
- 32
- erste Linse
- 33
- erster Kreisbogen
- 34
- zweite Linse
- 35
- zweiter Kreisbogen
- 36
- erste optische Achse
- 38
- zweite optische Achse
- 40
- Verschiebevektor
- 42
- erste Hauptebene
- 44
- zweite Hauptebene
- 46
- Mantelfläche
- 50
- Einrichtung zum Montieren
- 52
- Vermessungsvorrichtung
- 54
- Markiervorrichtung
- 56
- Datenbankvorrichtung
- 58
- optische Bank
- 60
- Beleuchtungsvorrichtung
- 62
- Kamera
- 64, 65
- Datenverbindung
- 66
- Laser
- α
- Winkel
