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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Linsensystem für ein Videoendoskop, ein Endoskop-Objektiv, welches ein entsprechendes Linsensystem aufweist, ein Videoendoskop mit einem derartigen Objektiv, sowie ein Montageverfahren für ein Endoskop-Obj ektiv.
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Endoskope für medizinische oder nichtmedizinische Anwendungen weisen einen länglichen Schaft auf, welcher eingerichtet ist, um in einen inneren Hohlraum eines menschlichen oder tierischen Körpers oder eines anderen zu untersuchenden Objekts eingeführt zu werden. Der Schaft kann starr, halbflexibel oder flexibel sein. Üblicherweise weist das Endoskop einen Griff auf, welcher an einem proximalen (d.h. nahe an einem Nutzer gelegenen) Endabschnitt des Schafts angebracht ist. In einem distalen (d.h. von einem Nutzer entfernten) Endabschnitt des Schafts ist ein Objektivlinsensystem zur Erzeugung eines Bilds eines Objektfelds in dem Hohlraum des Körpers oder Objekts angeordnet. In Videoendoskopen, welche auch als elektronische Endoskope bezeichnet werden, wird das erzeugte endoskopische Bild durch einen elektronischen Bildsensor aufgenommen. Gemäß einer weit verbreiteten Konstruktion ist der Bildsensor in dem distalen Endbereich des Schafts angeordnet, wobei dessen Sensorebene auf einer Bildebene des Objektivlinsensystems liegt. In diesem Fall werden die gesammelten Bilddaten durch den Schaft letztendlich elektronisch an eine Anzeigevorrichtung und/oder eine Bildverarbeitungseinheit übertragen, um dem Nutzer das endoskopische Bild anzuzeigen. Solche Videoendoskope werden als Chip-On-The-Tip-Endoskope (COTT-Endoskope) bezeichnet. Wiederverwendbare medizinische Endoskope erfordern eine Reinigung und Entkeimung nach jeder Verwendung. Insbesondere werden wiederverwendbare medizinische Endoskope üblicherweise einem Autoklaven-Prozess bei hoher Temperatur und mit unter Druck stehenden Dampf unterzogen.
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Wie in
EP 2 402 808 A1 offenbart, weist eine Objektivlinse für ein Endoskop, in der Reihenfolge von einer Objektseite her, eine vordere Gruppe mit negativer Brechkraft, eine Blende und eine hintere Gruppe mit positiver Brechkraft auf, wobei die vordere Gruppe eine erste Linse, welche eine negative Meniskuslinse ist, und eine zweite Linse aufweist, welche eine negative Linse mit einer konkaven Fläche ist, welche zu der Objektseite gerichtet ist, und die hintere Gruppe eine positive dritte Linse und eine vierte Linse aufweist, welche aus einer positiven Linse und einer negativen Linse gebildet ist, welche zusammengeklebt bzw. verkittet sind. Die optischen Flächen sämtlicher Linsen sind sphärisch. Die Objektivlinse weist einen Sichtwinkel von 180° oder mehr auf und weist gemessen von einer objektseitigen Fläche der ersten Linse zu einer Bildebene eine vergleichsweise lange Erstreckung auf.
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EP 2 413 176 A1 betrifft ein Kapselendoskop, welches ein optisches Bildaufnahmesystem zur Erfassung eines Bilds einer Objektoberfläche in der Form einer konkaven Halbkugelfläche aufweist. Um einen Sichtwinkel zu erweitern und dafür zu sorgen, dass die Bildfläche über den gesamten Sichtwinkel mit der Nähe der Bildaufnahmefläche übereinstimmt, ist das optische Bildaufnahmesystem eingerichtet, um eine in Bezug auf Positionen einer reellen Bildfläche und einer paraxialen Bilderzeugungsposition einer virtuellen Objektebene formulierte Bedingung zu erfüllen. Für das optische Bildaufnahmesystem des Kapselendoskops wird eine Kunststofflinse verwendet. Das Kapselendoskop ist lediglich einmal zu verwenden.
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In
EP 2 725 401 B1 ist ein kleines optisches Weitwinkel-Objektivsystem beschrieben, welches in einem Endoskop verwendet wird, wobei das optische Objektivsystem in einer Reihenfolge von einer Objektseite her eine Blende, eine positive erste Gruppe, eine zweite Gruppe, eine positive dritte Gruppe und eine vierte Gruppe aufweist, wobei die dritte Gruppe aus einer verklebten Linse gebildet ist, welche aus einer positiven Linse und einer negativen Linse besteht. Die dritte Gruppe kann ein optisches Beugungselement aufweisen.
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Gemäß
EP 3 132 735 A1 ist ein Kapselendoskop bereitgestellt, in welchem eine Objektivlinseneinheit an der äußersten Objektseite eine Linse aufweist, welche eine Meniskuslinse mit negativer Brechkraft ist und mit einer konvexen Fläche davon in Richtung der Objektseite angeordnet ist.
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In 2 474 851 B1 ist ein optisches Objektivsystem offenbart, welches einen breiten Sichtwinkel besitzt und in Endoskopen verwendet werden kann. Das optische Objektivsystem weist in der Reihenfolge von einer Objektseite her eine erste Gruppe mit negativer Brechkraft, eine Blende, eine zweite Gruppe mit positiver Brechkraft und eine dritte Gruppe auf. Jede Gruppe kann aus einer Einzellinse gebildet sein. Die Linsen sind aus einem Harzmaterial hergestellt.
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Gemäß
US 9,257,470 B2 weist eine Abbildungslinse ein erstes optisches System und eine Mikrolinsenanordnung auf, welche zwischen dem ersten optischen System und einem Abbildungselement bereitgestellt ist. Das erste optische System weist eine Blende, eine erste Linse, eine zweite Linse und eine dritte Linse auf. Die zweite Linse und die dritte Linse sind aus einem Kunststoffmaterial. In
US 2015/0077622 A1 wird eine Abbildungslinse zum Erlangen bzw. Erfassen eines Entfernungsbilds und eines sichtbaren Bilds offenbart, welches ein erstes optisches System und eine Mikrolinsenanordnung aufweist, die zwischen dem ersten optischen System und einem Abbildungselement bereitgestellt ist. Das erste optische System weist eine Blende, eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Linse auf, wobei die zweite Linse, die dritte Linse und die vierte Linse jeweils ein Harz beinhaltet.
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Wie in
DE 10 2005 015 145 A1 weist ein Objektiv bei Betrachtung von einer Objektseite eine erste Linse mit positiver Brechkraft, eine zweite Linse mit negativer Brechkraft, eine dritte Linse mit positiver Brechkraft und eine vierte Linse mit negativer Brechkraft auf, welche entlang einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind. Die Linsen sind aus einem Kunststoffmaterial hergestellt.
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Herkömmlicherweise weisen Endoskop-Objektive einen telezentrischen Strahlengang auf, um Vignettierung zu vermeiden. In COTT-Endoskopen werden häufig Objektivlinsensysteme mit einer langen Erstreckung in einer axialen Richtung eingesetzt, um einen nahezu telezentrischen Gang zu erzielen. Der verfügbare Raum in dem distalen Endbereich des Schafts eines Endoskops ist jedoch äußerst begrenzt. Einerseits ist der Außendurchmesser des Endoskopschafts durch eine vorgesehene Anwendung des Endoskops, also zum Beispiel durch die Breite einer Öffnung oder eines Einschnitts, durch welche/welchen der Schaft in einen Körperhohlraum einzuführen ist, begrenzt. Andererseits weisen mehrere Elemente des Endoskops wie zum Beispiel Beleuchtungslichtleiter oder -optiken und Instrumentenkanäle zusätzlich zu dem Endoskop-Objektiv erhebliche Raumanforderungen in dem distalen Endbereich des Schafts auf.
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Bei Kameras in Mobiltelefonen eingesetzte Objektivlinsensysteme sind nicht für endoskopische Anwendungen geeignet. Insbesondere weisen Mobiltelefon-Objektive eine vergleichsweise große Erstreckung oder Grundfläche in einer senkrecht zu ihrer optischen Achse verlaufenden Richtung auf. Ferner erfüllen Mobiltelefon-Objektive die an wiederverwendbare Endoskope gestellten Anforderungen bezüglich Reinigung und Entkeimung nicht. Des Weiteren ist die optische Bildqualität von Mobiltelefonen im Allgemeinen niedriger als jene, die in Endoskopen erforderlich ist.
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Zudem sei angemerkt, dass Bildsensoren mit hoher Auflösung, welche ursprünglich für Mobiltelefone ausgelegt sind, für gewöhnlich eine Mikrolinsenanordnung beinhalten, welche erfordert, dass das Objektivlinsensystem einen verhältnismäßig steilen Hauptstrahlwinkel (CRA, Chief Ray Angle) aufweist, wobei der Hauptstrahlwinkel mit zunehmendem Abstand von einer optischen Achse des Endoskop-Objektivs variiert. Derartige Mikrolinsenanordnungen können zu einer Bildbeeinträchtigung, also zum Beispiel Farbverschiebungen in den Randbereichen des Bilds führen, wenn sie in COTT-Endoskopen verwendet werden. In
EP 3 420 881 A1 , welche hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird, werden Videoendoskop-Konstruktionen bereitgestellt, die ein Objektiv und einen Bildsensor in dem distalen Bereich aufweisen, wobei der Bildsensor eine Mikrolinsenanordnung mit Mikrolinsenversätzen aufweist, welche für einen festgelegten Hauptstrahlwinkel ausgelegt sind.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Linsensystems für ein Videoendoskop. Insbesondere besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines Linsensystems für ein Videoendoskop, welches einen oder mehrere der oben genannten Nachteile zum Beispiel bezüglich Raumanforderungen, Entkeimung, Bildqualität und/oder der Verwendung von in der Mobiltelefonindustrie verwendeten elektronischen Bildsensoren mit hoher Auflösung vermeidet oder abschwächt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Endoskop-Objektivs für ein Videoendoskop, eines Videoendoskops mit einem derartigen Endoskop-Objektiv und eines verbesserten Montageverfahrens für ein Endoskop-Objektiv.
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Diese Aufgabe wird durch ein Linsensystem nach Anspruch 1, ein Videoendoskop-Objektiv nach Anspruch 13, ein Videoendoskop nach Anspruch 15, und ein Verfahren zur Montage eines Videoendoskop-Objektivs nach Anspruch 17 gelöst. Konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Linsensystem für ein Videoendoskop. Das Videoendoskop kann ein starres, halbflexibles oder flexibles Endoskop mit jeweils einem starren, halbflexiblen oder flexiblen Schaft sein. Der Schaft ist eingerichtet, um in einen inneren Hohlraum eines menschlichen oder tierischen Körpers oder eines anderen endoskopisch zu betrachtenden Objekts eingeführt zu werden. Das Videoendoskop kann für eine medizinische oder nichtmedizinische Verwendung ausgelegt sein. Das Linsensystem ist insbesondere als Objektivlinsensystem für ein Videoendoskop eingerichtet, wobei das Objektivlinsensystem in einem distalen Endbereich des Schafts angeordnet sein kann. Am meisten bevorzugt ist das Videoendoskop ein Chip-On-The-Tip-Endoskop, dessen elektronischer Bildsensor auf einer Bildebene des Objektivlinsensystems angeordnet ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Linsensystem in einer Reihenfolge von einer Objektseite her ein Deckglas, eine erste Linse, eine zweite Linse und eine oder mehrere weitere Linsen auf. Das Deckglas, die erste Linse, die zweite Linse und die eine oder mehreren weiteren Linsen sind entlang einer optischen Achse des Linsensystems angeordnet. In der vorliegenden Anmeldung wird die Objektseite eines optischen Elements des Linsensystems oder eines endoskopischen Objektivs, aufweisend das Linsensystem, auch als dessen „distale“ Seite bezeichnet, da diese Seite im Allgemeinen die Seite ist, welche von einem Nutzer des Endoskops entfernt ist. Dementsprechend wird die Bildseite eines optischen Elements, des Linsensystems oder des Endoskop-Objektivs auch als dessen „proximale“ Seite bezeichnet. Dennoch kann die optische Achse des Objektivlinsensystems in Abhängigkeit der Konstruktion des Endoskops in einem Winkel zu einer Richtung zu dem Nutzer geneigt sein.
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Die erste Linse, die zweite Linse und die eine oder mehreren weiteren Linsen sind jeweils Einzellinsen, das heißt sämtliche Linsen sind durch einen Luftspalt getrennt oder berühren eine benachbarte Linse höchstens punktuell. Somit ist das Linsensystem frei von Verbundlinsen und weist kein verklebtes Paar, Triplett oder Multiplett auf. Des Weiteren ist keine der Linsen mit einem anderen optischen Element mit optischer Brechkraft wie etwa einem optischen Beugungselement verklebt oder einstückig. Vorzugsweise ist die erste Linse auch nicht mit dem Deckglas verklebt und am meisten bevorzugt ist keine der Linsen mit einer ebenen Glasplatte verklebt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Blende auf der Objektseite der zweiten Linse, d.h. distal von der zweiten Linse angeordnet. Insbesondere kann die Blende distal von der ersten Linse, zum Beispiel zwischen dem Deckglas und der ersten Linse angeordnet sein oder die Blende kann zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse angeordnet sein. Die Blende kann direkt auf einer optischen Fläche des Deckglases oder der ersten oder zweiten Linse angeordnet sein oder kann getrennt von dem Deckglas und den Linsen angeordnet sein. Die optischen Flächen sind solche Flächen der Linsen und der anderen optischen Elemente des Linsensystems, welche entlang der optischen Achse angeordnet sind und welche das auf dem Bildsensor zu fokussierende Bildlicht durchläuft. Insbesondere können die optischen Flächen der Linsen Brechungsflächen der Linsen, d.h. Flächen mit Brechkraft sein.
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Ferner sind gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest sämtliche auf einer Bildseite der Blende, d.h. nahe daran gelegenen Linsen asphärische Linsen. Vorzugsweise sind beide optischen Flächen jeder asphärischen Linse asphärisch. Am meisten bevorzugt sind sämtliche Linsen des Linsensystems asphärisch und sämtliche optischen Flächen der Linsen des Linsensystems sind asphärisch. Die asphärischen Flächen können konvex, konkav sein oder können konvexe, konkave und/oder ebene Abschnitte aufweisen. Insbesondere sind die asphärischen Flächen in Bezug auf eine Symmetrieachse der jeweiligen Linse rotationssymmetrisch, sodass die konvexen, konkaven und/oder ebenen Abschnitte symmetrische ringförmige Abschnitte der jeweiligen Brechungsflächen der Linsen bilden. Die Symmetrieachsen der Linsen sind zueinander und zu der optischen Achse des Linsensystems fluchtend ausgerichtet, sodass die asphärischen Flächen in Bezug auf die optische Achse des Linsensystems rotationssymmetrisch sind. Das Linsensystem weist zusätzlich zu den Linsen ein Deckglas auf und kann weitere Elemente wie etwa eine/-n oder mehrere Glasplatten, Filter, Membranen, Mikrolinsenanordnungen usw. aufweisen. Diese weiteren Elemente sind nicht von dem Begriff „Linse“ in der vorliegenden Anmeldung umfasst.
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Des Weiteren sind gemäß der vorliegenden Erfindung sämtliche Linsen zum Beispiel aus Glas oder in allgemeinerer Hinsicht aus einem amorphen anorganischen Material und/oder aus einem kristallinen Material wie etwa Saphir. Insbesondere ist keine der ersten Linse, zweiten Linse und der einen oder mehreren weiteren Linsen aus einem Kunststoff- oder Polymermaterial oder weist ein Kunststoff- oder Polymermaterial auf. Ferner weist mindestens eine der Linsen einen Brechungsindex n gleich oder größer als 1,66 auf. Die mindestens eine Linse mit einem Brechungsindex n ≥ 1,66 kann die erste Linse, die zweite Linse oder eine der einen oder mehreren weiteren Linsen sein. Vorzugsweise weist die zweite Linse einen Brechungsindex n ≥ 1,66 auf und/oder eine dritte Linse weist einen Brechungsindex n ≥ 1,66 auf, wobei die dritte Linse diese eine der einen oder mehreren weiteren Linsen ist, welche entlang der optischen Achse in der proximalen Richtung unmittelbar auf die zweite Linse folgt. Am meisten bevorzugt weisen sowohl die zweite als auch die dritte Linse einen Brechungsindex n ≥ 1,66 auf. In der vorliegenden Offenbarung ist der Brechungsindex n der herkömmlich, d.h. in Bezug auf eine Wellenlänge von 589 nm (entsprechend der Natrium-D-Linie) definierte Brechungsindex nd.
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Aufgrund der Kombination der oben genannten Merkmale weist das Linsensystem eine kurze Gesamtlänge auf, ermöglicht eine Bereitstellung einer überlegenen Bildqualität und kann an gewerbliche Bildsensoren mit hoher Auflösung angepasst werden. Insbesondere kann das Linsensystem an in Mobiltelefonen eingesetzte Bildsensoren mit hoher Auflösung angepasst werden, welche üblicherweise einen in Randabschnitten der Sensorfläche 15° übersteigenden Hauptstrahlwinkel (CRA) aufweisen und eine nichtlineare CRA-Funktion aufweisen. Das Linsensystem kann insbesondere derart ausgelegt sein, dass das Verhältnis einer Gesamtlänge zu einem Bildkreisdurchmesser ungefähr 1,5 oder weniger beträgt. Des Weiteren weist das Linsensystem eine verbesserte thermische Stabilität auf und kann imstande sein, hohen Temperaturen, insbesondere Temperaturen von ungefähr 134° oder mehr, welche bei einem Autoklaven-Prozess erreicht werden, ohne wesentliche Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften standzuhalten; daher kann ein Endoskop, aufweisend das Linsensystem, autoklavierbar sein und somit kann das Linsensystem in einem Objektiv eines wiederverwendbaren Endoskops eingesetzt werden. Zudem wurde ermittelt, dass die Verwendung von Glas oder kristallinen Materialien eine verbesserte Korrektur von chromatischer Aberration ermöglicht. Da sämtliche Linsen Einzellinsen sind, können Beschränkungen bezüglich der Verwendung und Herstellung asphärischer Flächen vermieden werden. Aufgrund der asphärischen Flächen kann eine Verzerrung vorteilhafterweise korrigiert werden, um zum Beispiel weniger als 10% bis zu einem Winkel ω von 42,5° von der optischen Achse und weniger als 50% bis zu einem Winkel ω von 80° von der optischen Achse zu betragen. Das Linsensystem kann ein Sichtfeld (2ω) von ungefähr 160° oder weniger aufweisen. Das Linsensystem gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich somit besonders gut zur Verwendung in einem Endoskop-Objektiv.
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Das Linsensystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann derart ausgelegt sein, dass ein Objektabstand endlich ist, das heißt, in einem Abstand von wenigen oder mehreren Zentimetern liegende Objekte mit hoher Bildqualität auf dem Bildsensor abgebildet werden können. Insbesondere beträgt der Objektabstand weniger als ungefähr 50 cm, vorzugsweise weniger als ungefähr 30 cm, ferner bevorzugt weniger als ungefähr 8 cm oder zum Beispiel zwischen 1 und 10 cm.
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Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weist die mindestens eine Linse mit einem Brechungsindex n ≥ 1,66 einen Brechungsindex n ≥ 1,7 oder am meisten bevorzugt n ≥ 1,8 auf. Ferner können mehr als eine Linse, insbesondere die zweite und die dritte Linse, beide einen Brechungsindex n ≥ 1,7 oder n ≥ 1,8 aufweisen. Auf diese Weise kann eine Bildqualität weiter gesteigert werden, was eine verbesserte Korrektur von Verzerrung und/oder chromatischer Aberration ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eine Linse des Linsensystems eine Abbe-Zahl v von ungefähr oder mehr als 70, ferner bevorzugt ungefähr oder mehr als 80 auf. Insbesondere kann die mindestens eine Linse mit einer Abbe-Zahl v ≥ 70 oder v ≥ 80 die erste Linse sein. Auf diese Weise kann eine weiter verbesserte Korrektur von chromatischer Aberration erzielt werden. In der vorliegenden Offenbarung ist die Abbe-Zahl v die herkömmlich, d.h. bezüglich der Fraunhofer C-, D- und F-Spektrallinien (entsprechend jeweils Wellenlängen von 656,3 nm, 589,3 nm und 486,1 nm) definierte Abbe-Zahl vd.
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Vorzugsweise weist das Linsensystem höchstens drei Linsen auf. Das heißt, das Linsensystem weist genau drei Linsen auf, welche die erste Linse, die zweite Linse und die dritte Linse sind. Somit weist das Linsensystem zum Beispiel insgesamt sechs optische Brechungsflächen auf, welche allesamt asphärisch sind. Auf diese Weise kann eine besonders schlichte Konstruktion bereitgestellt werden, welche eine hochqualitative Bildkorrektur ermöglicht.
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Vorzugsweise weist die erste Linse eine positive Brechkraft auf. Insbesondere kann die erste Linse eine bikonvexe Linse sein. Hierbei und im Folgenden beziehen sich die Begriffe „Brechkraft“, „konvex“ und „konkav“ auf solche Flächenabschnitte der jeweiligen Linsen, welche zu der optischen Achse des Linsensystems benachbart sind oder durch die optische Achse gekreuzt werden. Die erste Linse kann zum Beispiel eine objektseitige Fläche, aufweisend in einem zu der optischen Achse benachbarten Innenbereich einen konvexen Abschnitt mit einem höheren Krümmungsradius, und eine bildseitige Fläche, aufweisend in einem Innenbereich einen konvexen Abschnitt mit einem geringeren Krümmungsradius aufweisen. Auf diese Weise können eine Bildqualität und insbesondere eine Anpassung an eine CRA-Funktion des Bildsensors verbessert werden.
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Die zweite Linse kann in einer Ausführungsform der Erfindung eine positive Meniskuslinse sein, deren konvexe Fläche zu der Bildseite hin gerichtet ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die zweite Linse eine bikonkave Linse mit einem geringeren Krümmungsradius auf ihrer objektseitigen Fläche und einem höheren Krümmungsradius auf ihrer bildseitigen Fläche sein. Die dritte Linse ist vorzugsweise eine positive oder negative Meniskuslinse, deren konvexe Fläche auf deren Objektseite liegt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine der Linsen bei Betrachtung mit zunehmendem radialen Abstand von der optischen Achse eine asphärische Fläche mit einem Wendepunkt einer Flächenneigung zu der optischen Achse auf. Auf diese Weise kann eine verbesserte Anpassung an eine CRA-Funktion des elektronischen Bildsensors, welche als Funktion eines radialen Abstands von der optischen Achse hochgradig nichtlinear sein kann und sogar einen oder mehrere Wendepunkte aufweisen kann, erzielbar sein.
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Vorzugsweise ist das Deckglas durch eine ebene Glasplatte mit zwei ebenen Flächen gebildet, welche sich parallel zueinander und insbesondere annähernd senkrecht zu der optischen Achse erstrecken. Ferner ist vorzugsweise die Blende auf der ebenen Fläche auf der proximalen oder Bildseite des Deckglases angeordnet. Die Blende kann durch einen Luftspalt von der objektseitigen Fläche der ersten Linse getrennt sein. Die Blende kann durch eine Beschichtung auf der proximalen Seite des Deckglases gebildet sein oder kann ein separates Element sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine ebene Glasplatte in einer Reihenfolge von der Objektseite her zwischen einer letzten Linse der einen oder mehreren weiteren Linsen und der Bildebene des Linsensystems angeordnet. Auf der Bildebene kann ein elektronischer Bildsensor eines Chip-On-The-Tip-Endoskops platziert sein. Anstelle oder zusätzlich zu der ebenen Glasplatte kann eine Mikrolinsenanordnung benachbart zu einer Sensorebene des Bildsensors und somit zwischen der Bildebene und der ebenen Glasplatte angeordnet sein. Die ebene Glasplatte ist bei einer Verbesserung einer mechanischen Stabilität und Anpassung der Brennweite des Linsensystems vorteilhaft. Die Glasplatte und/oder der Bildsensor können mit einem optischen Filter ausgestattet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die bei Betrachtung von der distalen Seite letzte Linse des Linsensystems einen Durchmesser auf, welcher einen Durchmesser des Bildkreises des Linsensystems übersteigt. Auf diese Weise kann eine Bildqualität weiter verbessert werden, was Abschattung oder Vignettierung vermeidet. Hierbei und im Folgenden ist der Durchmesser einer Linse als das Maximum der Durchmesser der objektseitigen und der bildseitigen Brechungsflächen der jeweiligen Linse definiert, wobei der Durchmesser in einer radialen Richtung senkrecht zu der optischen Achse des Linsensystems gemessen wird.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die zweite Linse einen höheren Durchmesser als die erste Linse auf. Somit übersteigt der Höhere der Durchmesser der zwei optischen Flächen der zweiten Linse den Höheren der Durchmesser der zwei optischen Flächen der ersten Linse. Ferner weist vorzugsweise die dritte Linse einen höheren Durchmesser als die zweite Linse auf. Im Fall, dass das Linsensystem mehr als drei Linsen aufweist, weist in einer weiteren bevorzugten Weise eine in einer proximalen Richtung auf die dritte Linse folgende vierte Linse des Linsensystems einen höheren Durchmesser als die dritte Linse auf, und wenn mehr als vier Linsen vorhanden sind, weist in einer Reihenfolge von der Objektseite her jede nachfolgende Linse einen höheren Durchmesser als die jeweilige vorhergehende Linse auf. Somit erhöhen sich die Durchmesser der Linsen in Richtung der Bildseite des Linsensystems oder eines Endoskop-Objektivs, aufweisend das Linsensystem. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wurde ermittelt, dass auf diese Weise eine störungsfreie Abbildung auf einem großen Bildsensor mit hoher Auflösung erzielt werden kann und sich gleichzeitig ein Gesamtdurchmesser des Linsensystems oder des Endoskop-Objektivs in Richtung eines distalen Endes des Linsensystems oder des Endoskop-Objektivs verringert. Dies ist insbesondere in Fällen vorteilhaft, in denen ein mit dem Linsensystem ausgestattetes Endoskop weitere Elemente in einem distalen Endbereich seines Schafts, zum Beispiel eine Lichtquelle oder andere Beleuchtungsoptiken aufweist, wobei ein verfügbarer Raum in dem distalen Endbereich stark beschränkt ist. Des Weiteren kann aufgrund einer kleinen Öffnung, durch welche Licht in das Linsensystem eintritt, Streulicht reduziert werden.
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Insbesondere ist eine Gesamtform des Linsensystems annähernd kegelstumpfförmig oder pyramidenstumpfförmig. Das heißt, das Linsensystem ist in Richtung einer Objektseite verjüngt und eine radiale Außenfläche oder eine Hülle des Linsensystems weist annähernd eine Form eines Kegelstumpfs oder Pyramidenstumpfs auf, wobei eine Mittelachse des Kegels oder der Pyramide zumindest annähernd mit der optischen Achse des Linsensystems übereinstimmt. Insbesondere bildet das Deckglas das Stumpfende des Kegels oder der Pyramide. Das Basisende des Kegelstumpfs oder des Pyramidenstumpfs liegt auf der Bildseite des Linsensystems. Vorzugsweise ist ein maximaler Durchmesser oder eine maximale Seitenlänge des Kegelstumpfs oder des Pyramidenstumpfs, welche/-r jeweils der Durchmesser an der Basis des Kegels oder die Seitenlänge der Basis der Pyramide ist, geringer als eine maximale oder entsprechende Seitenlänge des elektronischen Bildsensors, einschließlich dessen Substrat oder Umhüllung, oder übersteigt diese zumindest nicht. Auf diese Weise kann der verfügbare Raum in einer Spitze eines Endoskops, d.h. in dem distalen Endbereich des Schafts des Endoskops optimal ausgenutzt werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen zumindest die erste Linse und die zweite Linse und vorzugsweise die eine oder mehreren weiteren Linsen jeweils einen Funktionsrand mit einer ebenen Fläche auf, welche sich außerhalb einer jeweiligen optischen Fläche, d.h. in einem höheren radialen Abstand von der optischen Achse als die jeweilige optische Fläche befindet. Vorzugsweise weist eine Objektseite des jeweiligen Funktionsrands die ebene Fläche vor, am meisten bevorzugt weisen beide Seiten ebene Flächen auf. Insbesondere weist der Funktionsrand der zweiten Linse einen höheren Außendurchmesser als der der ersten Linse auf. Am meisten bevorzugt übersteigt der Außendurchmesser des Funktionsrands der dritten Linse den Außendurchmesser des Funktionsrands der zweiten Linse und gegebenenfalls erhöhen sich die Außendurchmesser der Funktionsränder der vierten oder der weiteren Linsen ferner in Richtung der Bildseite des Linsensystems. Der Funktionsrand jeder Linse kann einstückig mit der Linse ausgebildet sein, wobei die Linse ihren in einem Stück hergestellten Funktionsrand aufweist; alternativ kann die Linse in ein ringförmiges Element geklebt werden, welches den Funktionsrand bildet. Das Deckglas kann ebenso einen Funktionsrand vorweisen, welcher dessen bildseitige und dessen objektseitige ebene Fläche umfasst, oder ein Außenabschnitt jeder Fläche kann als den Funktionsrand bildend betrachtet werden. Die Funktionsränder ermöglichen ein Halten der Linsen in einem festen Verhältnis zueinander. Des Weiteren kann eine Montage eines Endoskop-Objektivs, aufweisend das Linsensystem, erleichtert werden.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Endoskop-Objektiv. Das Endoskop-Objektiv ist ein Objektiv für ein Videoendoskop, insbesondere für ein Chip-On-The-Tip-Videoendoskop. Das Endoskop-Objektiv weist ein Linsensystem auf, welches wie oben beschrieben eingerichtet ist, wobei die Linsen und anderen optischen Elemente in einem festen Verhältnis zueinander gehalten werden.
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In einer bevorzugten Weise weisen zumindest die erste und die zweite Linse jeweils wie oben beschrieben einen Funktionsrand auf, wobei der Durchmesser der zweiten Linse höher als der Durchmesser der ersten Linse ist und der Funktionsrand der zweiten Linse an dem Funktionsrand der ersten Linse oder an einem an dem Funktionsrand der ersten Linse montierten Abstandhalter montiert ist. In einer weiteren bevorzugten Weise weist die dritte Linse ebenso einen Funktionsrand auf, wobei der Durchmesser der dritten Linse höher als der Durchmesser der zweiten Linse ist und der Funktionsrand der dritten Linse an dem Funktionsrand der zweiten Linse oder an einem an dem Funktionsrand der zweiten Linse montierten Abstandhalter montiert ist. Weitere Linsen können gegebenenfalls ebenso Funktionsränder aufweisen, wobei bei Betrachtung von der Objektseite jeder Funktionsrand an dem Funktionsrand der vorhergehenden Linse oder an einem an dem jeweiligen vorhergehenden Funktionsrand montierten Abstandhalter montiert ist. Die Funktionsränder können durch einen Haftstoff, insbesondere durch Verkleben einer ebenen objektseitigen Fläche jedes Funktionsrands mit einer entsprechenden ebenen bildseitigen Fläche des vorhergehenden Funktionsrands oder eines zwischen den jeweiligen Funktionsrändern angeordneten Abstandhalters aneinander oder an den Abstandhaltern montiert sein. Das Deckglas kann ebenso einen Funktionsrand aufweisen und kann in einer entsprechenden Weise an der ersten Linse montiert sein. Ein weiterer Abstandhalter kann zum Anpassen eines axialen Abstands zu dem Bildsensor eingesetzt werden. Vorteilhafterweise können die Abstandhalter aus Glas oder aus einem kristallinen oder metallischen Material gebildet sein. Die Abstandhalter können ringförmig sein, wobei sie annähernd symmetrisch zu der optischen Achse angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine besonders stabile und solide Anordnung erzielt werden und eine Montage des Linsensystems wird erleichtert.
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Das Endoskop-Objektiv kann eine Gesamtform eines Kegelstumpfs oder eines Pyramidenstumpfs aufweisen. Insbesondere kann das Linsensystem in einem annähernd kegelstumpfförmigen oder pyramidenstumpfförmigen Gehäuse eingeschlossen sein, welches vorzugweise aus einem undurchsichtigen Material wie zum Beispiel einem metallischen Material gebildet ist. Das Gehäuse kann an einer Objektseite eines elektronischen Bildsensors oder einem Träger oder einem Package eines elektronischen Bildsensors zum Beispiel durch einen Haftstoff befestigt sein. Am meisten bevorzugt weist die Basis des kegelstumpfförmigen oder pyramidenstumpfförmigen Gehäuses eine Querabmessung auf, welche die entsprechende Abmessung des Bildsensors, einschließlich eines Substrats oder einer Umhüllung des Bildsensors, nicht übersteigt. Das Gehäuse oder ein weiterer Abstandhalter kann zum Anpassen des Abstands zu dem Bildsensor derart, dass die Sensorfläche auf der Bildebene gehalten wird, eingerichtet sein. Auf diese Weise kann das Endoskop-Objektiv als Ganzes einfach und präzise an dem Bildsensor montiert und als Einheit, aufweisend den Bildsensor, in den Endoskopschaft eingeführt werden, wobei dessen optische Achse vorzugsweise zu einer Längsachse des Schafts fluchtend ausgerichtet ist und der Bildsensor senkrecht zu der Längsachse liegt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Videoendoskop mit einem länglichen Schaft, ein in einem distalen Endbereich des Schafts angeordnetes Endoskop-Objektiv und einen auf einer Bildebene des Endoskop-Objektivs angeordneten elektronischen Bildsensor. Der längliche Schaft ist eingerichtet, um in einen Körperhohlraum eines menschlichen oder tierischen Körpers oder in einen Hohlraum eines anderen Objekts eingeführt zu werden. Das Videoendoskop kann für medizinische oder nichtmedizinische Anwendungen ausgelegt sein. Der Schaft kann starr, halbflexibel oder flexibel sein. Das Videoendoskop kann ein Kopfstück aufweisen, welches an einem proximalen Ende des Schafts angeordnet ist, wobei das Kopfstück außerhalb des Körpers bleibt. Das Endoskop-Objektiv ist wie oben beschrieben eingerichtet, aufweisend ein Linsensystem wie oben beschrieben.
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Insbesondere ist der elektronische Bildsensor ein hochauflösender (HD-)Bildsensor mit zum Beispiel einer Full-HD-Auflösung. Auf einer distalen Endseite des Bildsensors kann eine Mikrolinsenanordnung mit einer nichtlinearen CRA-Funktion angeordnet sein und das Linsensystem des Endoskop-Objektivs ist an die CRA-Funktion des Bildsensors und der Mikrolinsenanordnung angepasst. Auf diese Weise kann von serienmäßigen Bildsensoren mit hoher Auflösung, welche für Mobiltelefone ausgelegt sind, Gebrauch gemacht werden, was eine hohe Bildqualität bereitstellt. Insbesondere kann das Videoendoskop einen Bildsensor mit einer nichtlinearen CRA-Funktion aufweisen, an welche das Linsensystem des Endoskop-Objektivs angepasst ist, und das Linsensystem kann gleichzeitig für eine hochqualitative Korrektur von chromatischer Aberration und/oder Verzerrung und/oder anderen Aberrationen eingerichtet sein. Ferner kann Abschattung oder Vignettierung vermieden werden. Des Weiteren kann der verfügbare Raum in dem distalen Endbereich des Schafts des Videoendoskops optimal ausgenutzt werden und das Endoskop kann autoklavierbar sein. Vorzugsweise ist das Videoendoskop ein wiederverwendbares autoklavierbares medizinisches Videoendoskop.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Montage eines Endoskop-Objektivs für ein Videoendoskop, insbesondere für ein Chip-On-The-Tip-Videoendoskop bereitgestellt. Gemäß dem Verfahren werden eine erste Linse, eine zweite Linse und eine oder mehrere weitere Linsen bereitgestellt, wobei sämtliche Linsen Einzellinsen sind, zumindest die zweite und die eine oder mehreren weiteren Linsen asphärisch sind, sämtliche Linsen aus Glas oder aus einem kristallinen Material sind und mindestens eine Linse einen Brechungsindex n annähernd gleich oder größer als 1,66 aufweist. Die Linsen können durch bekannte Herstellungsverfahren, zum Beispiel durch Formen oder Schleifen und Polieren und/oder durch Prägen der asphärischen Flächen auf Linsenrohlinge produziert werden. Jede Linse weist einen Funktionsrand mit vorzugsweise ebenen Flächen auf beiden Seiten auf und die Durchmesser der Linsen sowie die Außendurchmesser der Funktionsränder erhöhen sich von der ersten zu der zweiten Linse, von der zweiten zu der dritten Linse und gegebenenfalls von der dritten zu weiteren Linsen. Des Weiteren wird ein ebenes Deckglas mit parallelen ebenen Flächen auf beiden Seiten bereitgestellt.
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Gemäß dem Verfahren werden die erste, die zweite und die eine oder mehreren weiteren Linsen in einer Reihenfolge von einer Objektseite her angeordnet und werden derart zentriert, dass die Symmetrieachsen der Linsen miteinander übereinstimmen, was eine optische Achse des Endoskop-Objektivs bildet. Eine Blende wird auf einer Bildseite der zweiten Linse zum Beispiel mittels einer Beschichtung oder durch Platzieren einer ringförmigen Membran auf oder nahe der bildseitigen Fläche des Deckglases oder der ersten Linse bereitgestellt. Der Funktionsrand der zweiten Linse wird durch Verkleben der objektseitigen Fläche des Funktionsrands der zweiten Linse mit der bildseitigen Fläche des Funktionsrands der ersten Linse an dem Funktionsrand der ersten Linse montiert; alternativ wird ein Abstandhalter mit der bildseitigen Fläche des Funktionsrands der ersten Linse verklebt und die zweite Linse wird mit der objektseitigen Fläche deren Funktionsrands mit dem Abstandhalter verklebt. Die dritte Linse wird in einer entsprechenden Weise an der zweiten Linse montiert, d.h. ein Funktionsrand der dritten Linse wird mit dem Funktionsrand der zweiten Linse oder mit einem daran montierten Abstandhalter verklebt. Gegebenenfalls werden weitere Linsen in einer entsprechenden Weise auf die dritte Linse in einer proximalen Richtung folgend montiert. Das Deckglas, welches die Blende aufweisen kann, wird in einer entsprechenden Weise an der ersten Linse montiert, insbesondere wird ein Funktionsrand oder ein Außenabschnitt des Deckglases mit einer objektseitigen Fläche des Funktionsrands der ersten Linse verklebt. Die letzte Linse auf einer Bildseite der Linsenanordnung kann mit einem Abstandhalter verklebt werden, welcher an einer Glasplatte montiert werden kann, welche als Schutzabdeckung für einen elektronischen Bildsensor dient, wobei der Abstandhalter einen solchen axialen Abstand bereitstellt, dass die Sensorebene auf der Brennebene des Linsensystems angeordnet ist. Die genannten Schritte des Bereitstellens der Blende und des Montierens der Linsen, der Abstandhalter und des Deckglases können in einer Reihenfolge erfolgen, welche sich von der beschriebenen unterscheidet.
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In einem darauffolgenden Schritt wird die Anordnung von Linsen, Deckglas und gegebenenfalls Abstandhaltern in eine Kegelstumpfform oder Pyramidenstumpfform geformt. Zum Beispiel kann die Linsenanordnung einen mehr oder weniger rechteckigen oder zylinderförmigen Block bilden; in diesem Fall werden die Außenflächen des Blocks zum Beispiel durch Schleifen oder Schneiden bearbeitet, um die Kegelstumpfform oder Pyramidenform zu erreichen. Alternativ können die genannten Elemente allesamt eingerichtet sein, um beim Montieren eine entsprechende Form zu bilden.
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Die kegelstumpfförmige oder pyramidenstumpfförmige Linsenanordnung wird danach in ein Gehäuse von entsprechender/-n Form und Abmessungen vorzugsweise aus einem undurchsichtigen Material wie etwa einem metallischen Material eingeführt und zum Beispiel durch einen Haftstoff darin befestigt. Am meisten bevorzugt stellt das Gehäuse einen Einschluss der Elemente des Linsensystems in einer hermetisch abgedichteten Weise bereit. Das Gehäuse kann an einem Träger oder einer Umhüllung eines elektronischen Bildsensors befestigt sein, was einen Abstand zu der Sensorfläche anpasst, oder ein zusätzlicher Abstandhalter kann zum Anpassen des Abstands derart, dass der Bildsensor auf der Brennebene des Objektivs liegt, eingesetzt werden. Das Gehäuse, welches mit dem Bildsensor eine mechanische Einheit bilden kann, kann in den distalen Endbereich des Schafts eines Videoendoskops eingeführt werden.
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Die oben genannten und nachstehend beschriebenen Merkmale der Erfindung gelten nicht nur bei den genannten Kombinationen, sondern auch bei anderen Kombinationen oder allein, ohne vom Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden aus den Figuren und aus der nachfolgenden Beschreibung konkreter Ausführungsformen ersichtlich.
- 1 zeigt ein Linsensystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer axialen Schnittansicht;
- 2 zeigt ein Linsensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einer axialen Schnittansicht;
- 3 zeigt ein Linsensystem gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in einer axialen Schnittansicht;
- 4 zeigt eine Linsenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer axialen Schnittansicht;
- 5 zeigt ein Endoskop-Objektiv und einen elektronischen Bildsensor gemäß einer ersten Variation in einer vereinfachten Weise;
- 6 zeigt ein Endoskop-Objektiv und einen elektronischen Bildsensor gemäß einer zweiten Variation in einer vereinfachten Weise.
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In den 1, 2 und 3 sind Ausführungsbeispiele eines Linsensystems gemäß der vorliegenden Erfindung in einer axialen Schnittansicht dargestellt. Gemäß jeder der dargestellten Ausführungsformen weist das Linsensystem 1 auf optische Flächen 2-11, welche in einer Reihenfolge von einer Objektseite her ebene Flächen 2, 3 eines Deckglases 20, asphärische Flächen 4, 5 einer ersten Linse 40, asphärische Flächen 6, 7 einer zweiten Linse 60, asphärische Flächen 8, 9 einer dritten Linse 80 und ebene Flächen 10, 11 einer Glasplatte 100 sind. Weiter zu der Bildseite hin ist ein elektronischer Bildsensor 110 angeordnet, dessen Sensorebene auf der Brennebene des Linsensystems 1 liegt. Der Bildsensor 110 kann zum Beispiel ein CCD- oder ein MOSFET-Sensor sein. Zwischen der Glasplatte 100 und dem Bildsensor 110 ist eine Mikrolinsenanordnung angeordnet (nicht dargestellt). Auf der bildseitigen Fläche 3 des Deckglases 20 ist eine Blende 21 zum Beispiel durch eine ringförmige Membran oder durch eine Beschichtung auf der Fläche 3 des Deckglases 20 gebildet. Die 1-3 zeigen zudem beispielhafte Strahlen, welche von einem Objektfeld in das Linsensystem 1 eintreten, was ein Bild des Objektfels auf dem Bildsensor 110 bildet.
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Jedes der in den 1-3 abgebildeten Linsensysteme 1 weist lediglich drei Linsen auf, welche die erste, zweite und dritte Linse 40, 60, 80 sind, wobei jede Linse zwei asphärische optische Flächen aufweist. Die Linsen 40, 60, 80 sowie das Deckglas 20, die Glasplatte 100 und der Bildsensor 110 sind entlang der optischen Achse 12 des Linsensystems 1 angeordnet. Die optischen Flächen 4-9 der Linsen 40, 60, 80 sind in Bezug auf die optische Achse 12 symmetrisch. In den dargestellten Beispielen liegen die ebenen Flächen 2, 3 des Deckglases 10 und die ebenen Flächen 10, 11 der Glasplatte 100 senkrecht zu der optischen Achse 12. Wie in den 1-3 ersichtlich erhöhen sich die Durchmesser der Linsen 40, 60, 80 mit zunehmender Linsenanzahl, d.h. von der Objekt- zu der Bildseite des Linsensystems 1. Der Durchmesser jeder Linse 40, 60, 80 ist als der Höhere der Durchmesser ihrer beiden optischen Flächen gemessen von der optischen Achse 12 aus definiert. Der Durchmesser der Glasplatte 100 übersteigt den der dritten Linse 80. Das Deckglas 10 kann einen Durchmesser aufweisen, welcher den der ersten Linse 40 übersteigt, ein Außenabschnitt des Deckglases 10 kann jedoch zur Montage des Linsensystems 1 oder eines Endoskop-Objektivs eingesetzt werden (siehe unten). Die Linsen 40, 60, 80 der Glasplatte 100 sind aus Glas, wohingegen das Deckglas 20 aus Saphir besteht.
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Parameter, welche die optischen Flächen der jeweiligen Linsensysteme 1 gemäß den Ausführungsformen beschreiben, sind in den Tabellen 1a-3b angegeben. Insbesondere geben die Tabellen 1a, 2a und 3a den Radius R des Innenabschnitts der jeweiligen Brechungsflächen, die Dicke d des jeweiligen optischen Elements oder Luftspalts gemessen auf der optischen Achse 12 von der jeweiligen optischen Fläche aus, den Brechungsindex n und die Abbe-Zahl v des jeweiligen optischen Elements an. Der Brechungsindex n und die Abbe-Zahl v sind in der herkömmlichen Weise definiert (siehe oben). Die Tabellen 1b, 2b und 3b geben die in der herkömmlichen Weise definierten Koeffizienten der asphärischen Flächen 4-9 an, welche die Versetzung eines Flächenpunkts in einer axialen Richtung als Funktion verschiedener Größen von r angeben, wobei r der Abstand von der optischen Achse 12 ist.
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Gemäß der ersten Ausführungsform und wie in
1 ersichtlich ist die erste Linse
40 bezüglich jeweiliger Innenabschnitte der optischen Flächen
4,
5 eine bikonvexe Linse mit einer annähernd ebenen objektseitigen Fläche
4 und einer konvexen bildseitigen Fläche
5. Die zweite Linse
60 ist eine positive Meniskuslinse, deren konvexe Fläche auf der Bildseite liegt. Die dritte Linse
80 ist eine negative Meniskuslinse, deren konkave Fläche auf der Bildseite liegt. Jede der Linsenflächen
4-9 weist bei Betrachtung in einem axialen Bereich einen Wendepunkt einer Flächenneigung zu der optischen Achse auf. Das heißt, in einem Abschnitt der Fläche nahe der optischen Achse
12 neigt sich die optische Fläche zunehmend in eine objektseitige Richtung, in einem Außenflächenabschnitt nimmt eine Neigung in die objektseitige Richtung jedoch mit zunehmendem radialen Abstand r von der optischen Achse
12 ab oder in einem Innenabschnitt nimmt die Flächenneigung in die bildseitige Richtung mit zunehmendem radialen Abstand r zu und nimmt in einem Außenabschnitt mit zunehmendem radialen Abstand r ab. Die optischen Parameter der Ausführungsform aus
1 sind in den Tabellen 1a und 1b angegeben. Die Blendenzahl der ersten Ausführungsform beträgt 6,0 und der Sichtwinkel (2ω) beträgt 73°.
Tabelle 1a
| Fläche | R [mm] | d [mm] | n | v |
| 2 | unendlich | 0,50 | 1,77 | 72 |
| 3 | unendlich | 0,10 | | |
| 4 | 2,5 | 0,40 | 1,50 | 81 |
| 5 | -0,57 | 0,22 | | |
| 6 | -3,7 | 0,46 | 1,69 | 53 |
| 7 | -0,47 | 0,05 | | |
| 8 | 2,6 | 0,40 | 1,90 | 21 |
| 9 | 0,97 | 0,53 | | |
| 10 | unendlich | 0,40 | 1,51 | 63 |
| 11 | unendlich | 0,05 | | |
Tabelle 1b
| Koeffizient | Fläche 4 | Fläche 5 | Fläche 6 | Fläche 7 | Fläche 8 | Fläche 9 |
| Kegelschnitt | -4,1E+01 | -2,8E+00 | -3,3E-01 | -8,8E-01 | -3,4E+00 | -1,3E+00 |
| Koeffizient bei r2 | 0,0E+00 | 0,0E+00 | 0,0E+00 | 0,0E+00 | 0,0E+00 | 0,0E+00 |
| Koeffizient bei r4 | -1,4E+00 | 5,lE+00 | 6,2E-01 | -4,6E-01 | -6,7E-01 | -9,5E-01 |
| Koeffizient bei r6 | 1,2E+01 | -5,4E+01 | 7,6E+00 | 3,0E+00 | 8,7E-01 | 1,2E+00 |
| Koeffizient bei r8 | -1,5E+02 | 1,8E+02 | 7,2E+01 | 4,2E-01 | -1,2E+00 | -1,7E+00 |
| Koeffizient bei r10 | -5,4E+01 | -6,6E-09 | 9,4E+01 | 7,3E-03 | 1,8E-02 | 1,2E+00 |
| Koeffizient bei r12 | 2,2E+01 | 0,0E+00 | -1,8E+02 | 0,0E+00 | 0,0E+00 | 0,0E+00 |
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Gemäß der zweiten Ausführungsform und wie in
2 abgebildet ist die erste Linse
40 bezüglich jeweiliger Innenabschnitte der optischen Flächen
4,
5 eine bikonvexe Linse mit einer annähernd ebenen objektseitigen Fläche
4 und einer konvexen bildseitigen Fläche
5. Die zweite Linse
60 ist eine bikonkave Linse. Die dritte Linse
80 ist eine positive Meniskuslinse, deren konkave Fläche auf der Bildseite liegt. Jede der Linsenflächen
4,
6-9 weist bei Betrachtung in einem axialen Bereich mindestens einen Wendepunkt einer Flächenneigung zu der optischen Achse auf. Insbesondere weist Fläche
7 zwei Wendepunkte auf und Flächen
8 und
9 weisen drei Wendepunkte auf. Die optischen Parameter der zweiten Ausführungsform sind in den Tabellen 2a und 2b angegeben. Die Blendenzahl der zweiten Ausführungsform beträgt 5,0 und der Sichtwinkel (2ω) beträgt 81,5°.
Tabelle 2a
| Fläche | R [mm] | d [mm] | n | v |
| 2 | unendlich | 0,50 | 1,77 | 72 |
| 3 | unendlich | 0,10 | | |
| 4 | 2,6 | 0,46 | 1,43 | 95 |
| 5 | -0,42 | 0,20 | | |
| 6 | -0,80 | 0,40 | 1,69 | 53 |
| 7 | 0,00 | 0,10 | | |
| 8 | 1,4 | 0,40 | 1,69 | 53 |
| 9 | 2,9 | 0,25 | | |
| 10 | unendlich | 0,40 | 1,51 | 63 |
| 11 | unendlich | 0,05 | | |
Tabelle 2b
| Koeffizient | Fläche 4 | Fläche 5 | Fläche 6 | Fläche 7 | Fläche 8 | Fläche 9 |
| Kegelschnitt | 1,6E+01 | -3,2E-09 | -8,8E-01 | -5,6E+23 | 3,1E-01 | 5,2E+00 |
| Koeffizient bei r2 | 0,00E+00 | 0,00E+00 | 0,00E+00 | 0,00E+00 | 0,00E+00 | 0,00E+00 |
| Koeffizient bei r4 | -2,1E+00 | 4,6E+00 | 3,9E+00 | 1,5E+00 | 6,2E+00 | 4,9E+00 |
| Koeffizient bei r6 | 7,7E+01 | -9,0E+01 | -1,1E+02 | -4,2E+00 | -6,9E+01 | -4,1E+01 |
| Koeffizient bei r8 | -5,3E+03 | 1,1E+03 | 1,6E+03 | -2,7E+00 | 2,9E+02 | 1,3E+02 |
| Koeffizient bei r10 | 1,3E+05 | -9,0E+03 | -1,3E+04 | 5,2E+00 | -6,2E+02 | -2,0E+02 |
| Koeffizient bei r12 | -1,6E+06 | 3,6E+04 | 4,9E+04 | 1,5E+01 | 7,1E+02 | 1,4E+02 |
| Koeffizient bei r14 | 1,0E+07 | -5,3E+04 | -7,1E+04 | 1,2E+01 | -4,1E+02 | -4,1E+01 |
| Koeffizient bei r16 | -2,3E+07 | -4,7E+00 | -3,3E+02 | -3,7E+01 | 9,6E+01 | -2,2E-02 |
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Gemäß der dritten Ausführungsform und in
3 dargestellt ist die erste Linse
40 bezüglich jeweiliger Innenabschnitte der optischen Flächen
4,
5 eine bikonvexe Linse mit einer annähernd ebenen objektseitigen Fläche
4 und einer konvexen bildseitigen Fläche
5. Die zweite Linse
60 ist eine positive Meniskuslinse, deren konvexe Fläche auf der Bildseite liegt. Die dritte Linse
80 ist eine negative Meniskuslinse, deren konkave Fläche auf der Bildseite liegt. Jede der Linsenflächen
4,
7-9 weist bei Betrachtung in einem axialen Bereich einen Wendepunkt einer Flächenneigung zu der optischen Achse auf. Die optischen Parameter der dritten Ausführungsform sind in den Tabellen 3a und 3b angegeben. Die Blendenzahl der dritten Ausführungsform beträgt 5,5 und der Sichtwinkel (2ω) beträgt 79°.
Tabelle 3a
| Fläche | R | d | n | v |
| 2 | unendlich | 0,50 | 1,77 | 72 |
| 3 | unendlich | 0,10 | | |
| 4 | 4,7 | 0,42 | 1,5 | 81 |
| 5 | -0,75 | 2,32 | | |
| 6 | -0,64 | 0,45 | 1,81 | 41 |
| 7 | -0,83 | 0,49 | | |
| 8 | 8,6 | 0,70 | 1,88 | 35 |
| 9 | 0,43 | 0,35 | | |
| 10 | unendlich | 0,40 | 1,51 | 63 |
| 11 | unendlich | 0,05 | | |
Tabelle 3b
| Koeffizient | Fläche 4 | Fläche 5 | Fläche 6 | Fläche 7 | Fläche 8 | Fläche 9 |
| Kegelschnitt | -7,1E-03 | -4,1E-06 | 2,8E-03 | -1,4E-02 | 2,0E-03 | -8,8E-01 |
| Koeffizient bei r2 | -7,1E-03 | -4,1E-06 | 2,8E-03 | -1,4E-02 | 2,0E-03 | -8,8E-01 |
| Koeffizient bei r4 | -1,3E+00 | 1,2E+00 | 1,6E+00 | 9,8E-01 | -6,9E-02 | -1,6E-02 |
| Koeffizient bei r6 | 8,3E+00 | -7,6E+00 | -4,9E+00 | -7,9E-01 | -1,4E-01 | 2,3E-02 |
| Koeffizient bei r8 | -1,0E+02 | 1,4E+01 | 5,2E+00 | 2,6E-01 | 1,0E-01 | -7,4E-03 |
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In jeder der in den 1-3 dargestellten Ausführungsformen ist das Linsensystem 1 an einen Full-HD-Bildsensor, zum Beispiel einen OV5670-Bildsensor mit einer 1920 x 1080 Pixelmatrix angepasst. Der Bildkreisdurchmesser beträgt zum Beispiel ungefähr 2,5 mm. Der Objektabstand beträgt zwischen ungefähr 10 und 100 mm, zum Beispiel ungefähr 15 mm oder 70 mm.
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Wie in 4 dargestellt weist jede der Linsen 40, 60, 80 einen Funktionsrand 41, 61, 81 auf, welcher mit der jeweiligen Linse einstückig sein kann oder separat ausgebildet und mit der jeweiligen Linse verklebt sein kann. Jeder der Funktionsränder weist ebene Flächen auf der Objektseite sowie auf der Bildseite auf, wobei sich die ebenen Flächen senkrecht zu der optischen Achse 12 erstrecken. Ferner sind ringförmige Abstandhalter 42, 62 zwischen den jeweiligen Funktionsrändern 41, 61, 81 angeordnet. Des Weiteren ist ein weiterer Abstandhalter 82 zwischen der Glasplatte 100 und dem Funktionsrand 81 der dritten Linse 80 bereitgestellt. Die Abstandhalter 42, 62, 82 weisen ebene Flächen auf beiden Seiten auf und sind mit deren ebenen Flächen mit den jeweiligen benachbarten ebenen Flächen der Funktionsränder 41, 61, 81 und der Glasplatte 100 verklebt. Des Weiteren ist ein Funktionsrand 22 des Deckglases 20, welcher ein Außenabschnitt des Deckglases 20 sein kann, mit der objektseitigen Fläche des Funktionsrands 41 der ersten Linse verklebt. Die Funktionsränder 41, 61, 81 und die Abstandhalter 42, 62 weisen eine Dicke auf, um das Deckglas 20 und die Linsen 40, 60, 80 in jeweiligen in der Tabelle angegebenen Abständen zu halten. Der Abstandhalter 82 weist eine Dicke auf, um die Glasplatte 100 in einem Abstand derart zu halten, dass der Bildsensor 110 auf der Brennebene des Linsensystems 1 liegt.
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In 4 ist das Linsensystem 1 selbst wie in der zweiten Ausführungsform eingerichtet. Die anderen Ausführungsformen können jedoch Funktionsränder aufweisen und können in einer entsprechenden Weise montiert sein. Die Anordnung 13 von Linsen 40, 60, 80 und Deckglas 20, aufweisend die jeweiligen Funktionsränder 41, 61, 81 und Abstandhalter 42 und 62, und der Glasplatte 100, ist Teil eines Endoskop-Objektivs 15 oder bildet dieses. Aufgrund dessen, dass die Linsen sich erhöhende Durchmesser in der proximalen Richtung aufweisen, weist die in 4 dargestellte Linsenanordnung 13 eine gesamtheitliche Kegelstumpfform oder Pyramidenstumpfform auf, wobei die Spitze des Kegels oder der Pyramide in die distale Richtung zeigt. Die Linsenanordnung 13 kann in einem Gehäuse 14 eingeschlossen sein, wodurch ein Endoskop-Objektiv 15 gebildet ist, welches eine hermetisch abgedichtete Einheit sein kann. Dies ist in einer perspektivischen Ansicht in den 5 und 6 in einer schematischen, vereinfachten Weise dargestellt.
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In einer ersten Variation und wie in 5 abgebildet weist das Gehäuse 14 eine Kegelstumpfform auf, wobei sich das Deckglas 20 in dem Stumpfende des Kegels befindet. Gemäß einer anderen in 6 dargestellten Variation weist das Gehäuse eine Pyramidenstumpfform auf, wobei das Deckglas 20 in dem Stumpfende der Pyramide angeordnet ist. In diesem Fall können das Deckglas 20 sowie die Linsen 40, 60 80 und/oder die Glasplatte 100 zum Beispiel quadratisch, rechteckig oder kreisförmig sein; im letztgenannten Fall können die Funktionsränder 41, 61, 81 in einer radialen Schnittansicht einen quadratischen Grundriss aufweisen. An dem Basisende des Kegels oder der Pyramide ist das Gehäuse 14 an dem Bildsensor 110 oder an einem Träger oder einer Umhüllung des Bildsensors 110 montiert. Auf diese Weise kann eine kompakte Abbildungseinheit gebildet werden, welche einfach in den distalen Endbereich eines Endoskopschafts eingeführt und darin montiert werden kann. In einer alternativen Ausführungsform kann das Endoskop-Objektiv 15 eine gesamtheitliche Zylinderform aufweisen (nicht dargestellt).
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Gemäß einem beispielhaften Montageverfahren für ein Videoendoskop-Objektiv 15 werden eine erste Linse 40, eine zweite Linse 60 und eine dritte Linse 80 bereitgestellt, welche allesamt Einzellinsen sind, d.h. keine der Linsen 40, 60, 80 ist eine Verbundlinse oder ein verklebtes Duplett, Triplett oder Multiplett (siehe 1-3). Die erste, die zweite und die dritte Linse 40, 60, 80 bestehen zum Beispiel aus Glas oder aus einem kristallinen Material wie etwa Saphir. Wie in den Tabellen 1a, 2a und 3a für die Ausführungsbeispiele angegeben weisen die zweite Linse 60 und die dritte Linse 80 jeweils einen Brechungsindex n größer als 1,66 auf und die erste Linse 40 weist eine Abbe-Zahl v größer als 80 auf. Jede der Linsen 40, 60, 80 ist wie in den Tabellen 1a, 2a und 3a in einer beispielhaften Weise angegeben asphärisch mit rotationssymmetrischen asphärischen Flächen auf beiden Seiten. Die Linsen 40, 60, 80 können durch Bilden von Linsenrohlingen zum Beispiel durch Formen, Schneiden oder Schleifen gebildet worden sein, wobei die asphärischen Flächen auf die Linsenrohlinge geprägt werden.
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Des Weiteren weist wie in 4 dargestellt jede der Linsen 40, 60, 80 einen Funktionsrand 41, 61, 81 mit ebenen Flächen auf beiden Seiten auf, wobei die ebenen Flächen außerhalb der optischen Flächen, d.h. in einem höheren radialen Abstand von einer Symmetrieachse der jeweiligen Linse 40, 60, 80 ausgebildet sind. Die ebenen Flächen der Funktionsränder 41, 61, 81 liegen senkrecht zu der Symmetrieachse jeder jeweiligen Linse 40, 60, 80. Der Durchmesser der zweiten Linse 60 übersteigt den Durchmesser der ersten Linse 40, d.h. insbesondere weist die zweite Linse 60 optische Flächen 6, 7 auf, welche beide höhere Durchmesser als die optischen Flächen 4, 5 der ersten Linse 40 aufweisen, und der Außendurchmesser des Funktionsrands 61 der zweiten Linse 60 ist höher als der Außendurchmesser des Funktionsrands 41 der ersten Linse 40. Analog dazu übersteigt der Durchmesser der dritten Linse 80 bezüglich der optischen Flächen sowie der Funktionsränder 61, 81 den Durchmesser der zweiten Linse 60.
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Des Weiteren sind ein Deckglas 20 und eine Glasplatte 100 bereitgestellt, welche jeweils gegenüberliegende parallele ebene optische Flächen 2, 3, 10, 11 aufweisen. Eine Blende 21 ist auf einer bildseitigen Fläche 3 des Deckglases 20 angeordnet. Die Blende 21 kann zum Beispiel durch Bereitstellen einer Beschichtung auf der bildseitigen ebenen Fläche 3 des Deckglases 20 oder durch Montieren einer Membran auf der Bildseite des Deckglases 20 gebildet werden. Das Deckglas 20 kann ebenso einen Funktionsrand 22 aufweisen, welcher durch einen Außenumfangsabschnitt des Deckglases 20 gebildet ist.
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Der Funktionsrand 41 der ersten Linse wird durch Verkleben der objektseitigen Fläche des Funktionsrands 41 mit der bildseitigen Fläche 3 des Deckglases 20 oder der an dem Deckglas 20 montierten Blende 21 an dem Funktionsrand 22 des Deckglases 20 montiert. Ein erster ringförmiger Abstandhalter 42 aus Glas oder Metall wird mit der bildseitigen Fläche des Funktionsrands 41 der ersten Linse 40 verklebt, die zweite Linse 60 wird in Bezug auf die erste Linse 40 derart zentriert, dass die jeweiligen Symmetrieachsen beider Linsen 40, 60 übereinstimmen, und der Funktionsrand 61 der zweiten Linse 60 wird mit der bildseitigen Fläche des ersten Abstandhalters 42 verklebt. Des Weiteren wird ein zweiter ringförmiger Abstandhalter 62 mit der bildseitigen Fläche des Funktionsrands 61 der zweiten Linse 60 verklebt, die dritte Linse 80 wird in Bezug auf die zweite Linse 60 derart zentriert, dass die jeweiligen Symmetrieachsen beider Linsen 60, 80 übereinstimmen, und der Funktionsrand 81 der dritten Linse 80 wird mit der bildseitigen Fläche des zweiten Abstandhalters 62 verklebt. Ein dritter ringförmiger Abstandhalter 82 wird mit der bildseitigen Fläche des Funktionsrands 81 der dritten Linse 80 verklebt und die Glasplatte 100 wird mit der bildseitigen Fläche des dritten Abstandhalters 82 verklebt. Die Funktionsränder 41, 61, 81 und die Abstandhalter 42, 62 82 weisen jeweils eine axiale Dicke auf, welche angepasst ist, um wie für eine hochqualitative Abbildung erforderlich einen Luftspalt zwischen den jeweiligen Linsen 40, 60, 80 zu bilden.
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Die auf diese Weise gebildete Linsenanordnung 13 weist in Abhängigkeit von der Außenumfangsform der Funktionsränder 41, 61, 81, der Abstandhalter 42, 62, 82 und der Glasplatte 100 die Form eines Kegelstumpfs oder eines Pyramidenstumpfs auf oder wird in eine gesamtheitliche Kegelstumpfform oder Pyramidenstumpfform bearbeitet. Die Linsenanordnung 13 ist in einem Gehäuse 14 von entsprechender Form eingeführt, was ein Endoskop-Objektiv 15 bildet.
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Ein elektronischer Bildsensor 110, aufweisend eine an einer Sensorfläche des Bildsensors befestigte Mikrolinsenanordnung, kann auf einer Bildseite der Anordnung 13 oder des Objektivs 15 angeordnet sein. Der dritte Abstandhalter 82 und die Glasplatte 100 weisen Dicken auf, um einen axialen Abstand zu dem Bildsensor 110 derart zu definieren, dass die Sensorebene des Bildsensors 110 auf der Brennebene der Linsenanordnung 13 angeordnet ist, wenn der Bildsensor oder die Mikrolinsenanordnung direkt benachbart zu der Bildseite der Glasplatte 100 montiert ist oder wenn das Gehäuse 14 an einer Fläche des Bildsensors 110 oder an einem Träger oder einer Umhüllung des Bildsensors 110 befestigt ist (siehe 5 und 6). Alternativ kann ein Spalt zwischen der Linsenanordnung 13 oder dem Gehäuse 14 und dem Bildsensor 110 derart angepasst werden, dass der Bildsensor auf der Brennebene der Linsenanordnung 13 liegt und der Bildsensor 110 in dem entsprechenden Abstand zu dem Gehäuse 14 befestigt ist oder in dem Schaft des Endoskops befestigt ist.
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Der Klarheit halber sind nicht alle Bezugszeichen in allen Figuren angezeigt. Wenn ein Bezugszeichen in der Beschreibung einer Figur nicht ausdrücklich genannt ist, trägt es dieselbe Bedeutung wie in den anderen Figuren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Linsensystem
- 2
- Fläche
- 3
- Fläche
- 4
- Fläche
- 5
- Fläche
- 6
- Fläche
- 7
- Fläche
- 8
- Fläche
- 9
- Fläche
- 10
- Fläche
- 11
- Fläche
- 12
- Optische Achse
- 13
- Anordnung
- 14
- Gehäuse
- 15
- Endoskop-Objektiv
- 20
- Deckglas
- 21
- Blende
- 22
- Funktionsrand
- 40
- Erste Linse
- 41
- Funktionsrand
- 42
- Abstandhalter
- 60
- Zweite Linse
- 61
- Funktionsrand
- 62
- Abstandhalter
- 80
- Dritte Linse
- 81
- Funktionsrand
- 82
- Abstandhalter
- 100
- Glasplatte
- 110
- Bildsensor
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2402808 A1 [0003]
- EP 2413176 A1 [0004]
- EP 2725401 B1 [0005]
- EP 3132735 A1 [0006]
- US 9257470 B2 [0008]
- US 2015/0077622 A1 [0008]
- DE 102005015145 A1 [0009]
- EP 3420881 A1 [0012]
