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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf steife monokulare Boroskope
und Endoskope, welche wohlbekannte Vorrichtungen zum Betrachten von
Gegenständen
an entlegenen oder unzugänglichen
Stellen sind. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Mittel
zum Vorsehen einer genauen Betrachtungsrichtung in solchen steifen
Boroskopen und Endoskopen.
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Obwohl
es viele ausführliche
Auslegungsvariationen gibt, sind steife Boroskope und Endoskope im
Allgemeinen aus der in 1 schematisch gezeigten Basisanordnung
gebildet. Wenn ein Gegenstand 0 im Betrachtungsfeld (f.o.v.) des
Skops liegt, wird innerhalb des Einführungsrohrs 12 des
Skops 10 mittels eines Objektivlinsenaufbaus 14 ein
Bild I vom Gegenstand 0 gebildet. Dieses Zwischenbild I wird anschließend durch
eine Reihe von Übermittlungslinsen 16 zum
proximalen Ende des Skops 10 übertragen oder übermittelt,
um ein auf eine Feldmaske 18 aufgetragenes, endgültiges Zwischenbild
zu bilden. Der Zweck der Feldmaske 18 ist es, das bestimmte Betrachtungsfeld
mit einem scharfen, gut umrissenen Rand zu versehen. Schließlich projiziert
ein Okularlinsensystem 20 danach dieses Endbild, um in
einiger Entfernung von ungefähr
1 m ein virtuelles Bild zu bilden, um dadurch dem Auge E eine bequeme Sicht
zu bieten (ein normales, nicht unterstütztes Auge kann Gegenstände im Allgemeinen
aus einer Distanz von ungefähr
25 cm bis unendlich bequem fokussieren). Überdies kann ein Adapterlinsenaufsatz
(nicht gezeigt) befestigt werden, um dieses Bild auf eine Kamera
oder einen CCD-Chip zu fokussieren, um die Kamera mit einem Bild
geeigneter Größe zu versehen.
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Das
distale Ende des Skops 10 verwendet im Allgemeinen eine
Prisma-Anordnung 22, um die notwendige Betrachtungsrichtung (d.o.v.)
zu erzeugen, außer
es handelt sich dabei um einen um 0°-nach-vorne-Betrachter, in welchem
Fall kein Prisma notwendig ist. Die Betrachtungsrichtung ist ein Winkel
zwischen der längsgerichteten
Achse L des Skops 10 und der Betrachtungsachse V, bei welcher die Betrachtungsachse
als die Linie festgelegt ist, welche die äußersten Richtungen halbiert,
welche die diametralen Ränder
des sichtbaren Betrachtungsfelds beschreiben. Die tatsächliche
Betrachtungsrichtung, die in der Praxis erreicht wird, kann aus
einer Anzahl von Gründen
von der Auslegungsspezifikation abweichen:
- – das Prisma 22 kann
nicht genau im ordnungsgemäßen Winkel
angeordnet sein,
- – die
einzelnen Linsen 14, 16, welche die Objektiv-
und Übermittlungssysteme
umfassen, können nicht
derart gefertigt sein, dass die optischen und mechanischen Zentren
genau zusammenfallen,
- – die
einzelnen Linsen 14, 16, welche die Objektiv-
und Übermittlungssysteme
umfassen, können im
Linsenrohr 12 nicht genau zentriert oder ausgerichtet sein.
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Das
Dokument WO-A-9413189 offenbart ein stereoskopisches Endoskop, welches
ein längliches Endoskoprohr
umfasst, welches ein erstes Ende zum Einführen in einen Körper aufweist
und ein zweites Ende, welches außerhalb des Körpers verbleibt,
im ersten Ende des Rohrs eine optische Bilderzeugungsvorrichtung,
um auf benachbarten Wegen zwei Bilder eines Gegenstands zu bilden,
eine längliche optische Übertragungsvorrichtung,
die einander gegenüberliegende
erste und zweite Enden aufweist und sich von der Bilderzeugungsvorrichtung
durch das Endoskoprohr erstreckt, um die Bilder zum zweiten Ende
der Übermittlungsvorrichtung
zu übermitteln,
eine stereoskopische Betrachtungsvorrichtung zum Aufnehmen und Betrachten
der Bilder und zwischen dem zweiten Ende der Übermittlungsvorrichtung und
der Betrachtungsvorrichtung einen Verbindungsoptikaufbau, um die
Trennung zwischen den Bildern einzustellen. In einer Ausführung umfasst
der Verbindungsoptikaufbau ein System von Linsen, die auf das proximale
oder zweite Ende der Übertragungsvorrichtung
fokussieren und die Bilder auf eine Sensorfläche der Betrachtungsvorrichtung übermitteln.
Die Linsen sind derart angeordnet, dass sie die Bilder in eine überlappende
Position bewegen. Der Verbindungsoptikaufbau kann ferner einen Lichtaufhalter
umfassen, um das Betrachtungsfeld zu verringern.
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Ein
Boroskop oder Endoskop kann eine große Anzahl von einzelnen Linsen
aufweisen, und das Entstehen von sehr geringen Zentrierfehlern dieses Typs
kann kann leicht dazu führen,
dass sich die gemessene Betrachtungsrichtung über die akzeptierbaren Grenzen
hinaus verschiebt. Das konventionelle Verfahren zum Steuern desselben
ist, die oben aufgelisteten Punkte mit sehr engen Toleranzen zu
versehen, um sicherzustellen, dass die daraus resultierende Betrachtungsrichtung
in den bestimmten Grenzen (typischerweise ± 5°) liegt. Bei Skopen, bei welchen
die bestimmte Toleranz für
die Betrachtungsrichtung besonders eng ist (z.B. ≤ 3°), kann es
unmöglich
sein (oder wäre
es unerschwinglich teuer), diese einzelnen Toleranzen für das gewünschte Präzisionsniveau
zu steuern. Es besteht deshalb ein Bedarf, eine Betrachtungsrichtung
mit einer hohen Toleranz zu erreichen, ohne auf besonders enge einzelne Zentriertoleranzen
angewiesen zu sein.
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Dementsprechend
sieht die vorliegende Erfindung ein Gerät zur Verwendung als monokulares Boroskop
oder monokulares Endoskop vor, welches ein Rohr mit einem distalen
Ende und einem mit einem Gehäuse
verbundenen, proximalen Ende umfasst, einen Betrachtungsanschluss
in Nachbarschaft eines distalen Endes, durch welchen in Verwendung ein
Gegenstand betrachtet werden kann, Bildübermittlungsmittel, welche
zum Übermitteln
eines Bildes des Gegenstands zu im Gehäuse vorgesehenen Betrachtungsmitteln
betreibbar sind, wobei die Betrachtungsmittel eine Okularlinse und
eine distal der Okularlinse angeordnete Maske einschließen, die
eine Öffnung
aufweist, durch welche das Bild betrachtet wird, bei welchem die
Bildübermittlungsmittel
eine in Längsrichtung
verlaufende Achse festlegen und die Öffnung der Maske eine mittlere
Achse festlegt und bei welchem die mittlere Achse parallel zur in
Längsrichtung
verlaufenden Achse und zu dieser versetzt verläuft.
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In
einer ersten Ausführung
legt die Okularlinse eine mittlere Achse fest, welche mit der in
Längsrichtung
verlaufenden Achse zusammenfällt.
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In
einer zweiten Ausführung
legt die Okularlinse eine mittlere Achse fest, welche mit der mittleren
Achse der Öffnung
in der Maske zusammenfällt.
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Um
den gewünschten
Versatz vorzusehen, kann die Maske derart montiert sein, dass sie
in die ordnungsgemäße Position
einstellbar ist. Alternativ kann die Maske bewegt und durch eine
zweite Maske ersetzt werden, welche den ordnungsgemäßen Versatz
aufweist. Es wird derzeit jedoch bevorzugt, dass die Maske in verschiedenen
Drehausrichtungen montierbar ist, von denen jede einen verschiedenen Versatz
zwischen der in Längsrichtung
verlaufenden Achse der Bildübermittlungsmittel
und der mittleren Achse der Maske vorsieht. Vorzugsweise ist die
Okularlinse zusammen mit der Maske einstellbar. Dies erlaubt es,
die Maske mit verschiedenen Versatzen zu versehen, erfordert jedoch
keine Auswahl von verschiedenen Masken, um dieses Ziel zu erreichen.
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Die
vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Vorsehen einer
gewünschten
Betrachtungsrichtung in einem monokularen Boroskop oder monokularen
Endoskop vor, wobei das Boroskop oder Endoskop ein Rohr mit einem
distalen Ende und einem mit einem Gehäuse verbundenen, proximalen Ende
umfasst, einen Betrachtungsanschluss in Nachbarschaft des distalen
Endes, durch welchen in Verwendung ein Gegenstand betrachtet werden kann,
Bildübermittlungsmittel,
welche zum Übermitteln
eines Bildes des Gegenstands zu im Gehäuse vorgesehenen Betrachtungsmitteln
betreibbar sind, wobei die Betrachtungsmittel eine Okularlinse umfassen;
wobei das Verfahren die Schritte umfasst
- – des Vorsehens
einer Maske distal der Okularlinse, wobei die Maske eine Öffnung aufweist,
durch welche das Bild betrachtet wird, und die Öffnung eine mittlere Achse
aufweist;
- – des
Bestimmens der Winkeldifferenz zwischen der tatsächlichen Betrachtungsrichtung
und der gewünschten
Betrachtungsrichtung;
- – des
Berechnens des Betrags und der Richtung des Versatzes der mittleren
Achse der Maskenöffnung
in Bezug auf die in Längsrichtung
verlaufende Achse, die zum Erreichen der gewünschten Betrachtungsrichtung
erforderlich sind, und
- – des
Loslösens
der Maske und des Einpassens einer Maske mit einer Öffnung,
die eine mittlere Achse mit dem gewünschten Versatz festlegt.
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Die
Schritte des Loslösens
und Einpassens der Maske umfassen vorzugsweise das Loslösen der Maske,
das Drehen der Maske in eine verschiedene Drehausrichtung mit dem
gewünschten
Versatz und das Einpassen der Maske in Position. Vorzugsweise wird
die Okularlinse zusammen mit der Maske in den erforderlichen Versatz
gedreht.
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Das
Verfahren kann ferner den Schritt des Ersetzens der Okularlinse
durch eine zweite Linse umfassen, die eine mittlere Achse aufweist,
welche mit der mittleren Achse der zweiten Maske zusammenfällt.
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Beim
Verfahren kann der Betrag des erforderlichen Versatzes gemäß der Beziehung
berechnet sein:
wobei δ der Betrag des erforderlichen
Versatzes ist, α die
Winkeldifferenz zwischen der tatsächlichen Betrachtungsrichtung
und der gewünschten
Betrachtungsrichtung ist, η die
Größe des Bildes
an der Position der Maske und φ das
Betrachtungsfeld des Skops ist.
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Die
Erfindung wird nun lediglich beispielhaft, mit Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen ausführlich
beschrieben, bei welcher:
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1 eine
schematische Ansicht eines steifen Boroskops oder Endoskops nach
dem Stand der Technik ist;
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2 ein
schematisches Diagramm ist, welches eine erste Ausführung der
vorliegenden Erfindung erläutert,
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3 eine
schematische Ansicht ist, welche eine zweite Ausführung der
vorliegenden Erfindung erläutert,
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4 ein
Querschnitt durch das proximale Ende eines Boroskops ist, wobei
zur Übersichtlichkeit
der Griff entfernt ist; und
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5 eine
perspektivische Ansicht des Boroskops von 4 ist, bei
welchem das Gehäuse entfernt
ist.
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1 zeigt
schematisch die Konfiguration eines konventionellen steifen Boroskops
oder Endoskops, wie vorstehend erörtert.
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Wie
vorstehend erwähnt,
weist das Skop 10 eine längsgerichtete Achse L auf.
Die Feldmaske 18 ist eine Platte mit einer kreisförmigen Öffnung,
wobei die Öffnung
eine mittlere Achse C aufweist, die deren Zentrum durchläuft. Im
Stand der Technik fällt
die mittlere Achse C mit der längsgerichteten
Achse L zusammen. Ein Augenhöhlenabtastskop
weist auch eine Drehachse R auf, die üblicherweise mit der längsgerichteten
Achse L zusammenfällt.
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Eine
in einem Skop des in 1 gezeigten Typs enthaltene
erste Ausführung
der vorliegenden Erfindung ist in 2 schematisch
erläutert.
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Bei
der vorliegenden Erfindung ist die Feldmaske 18' im Vergleich
zu einer konventionellen Feldmaske 18 (nur zu Vergleichszwecken
gezeigt) derart seitlich verschoben, dass ihre mittlere Achse C zu
der gesamten längsgerichteten
Achse L des Skops parallel bleibt, aber nicht mehr mit dieser zusammenfällt. Dementsprechend
sind das durch die Okularlinse gebildete virtuelle Bild 30' der Feldmaske 18' und somit das
Bild 30 auf der Netzhaut des Auges E (oder in der Kamera)
vom virtuellen Bild 32' des Gegenstands
bzw. dem entsprechenden Bild 32 auf der Netzhaut seitlich
versetzt. Im Gegenzug wird dadurch die gemessene Betrachtungsrichtung
des Skops um einen kleinen Betrag verschoben.
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Bei
der in 2 erläuterten
ersten Ausführung
ist die Feldmaske 18' in
einem Gehäuse
(nicht gezeigt) derart am proximalen Ende des Einführungsrohrs
(nicht gezeigt) angeordnet, dass die mittlere Achse C der Öffnung von
der längsgerichteten Achse
L des Skops 10 versetzt ist. Diese Ausführung ist für das Korrigieren der Betrachtungsrichtung
in Skopen, welche keine Augenhöhlenabtasteinrichtung
aufweisen, insgesamt geeignet, d.h. in Skopen, bei welchen das Einführungsrohr
nicht um seine längsgerichtete
Achse gedreht wird.
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Diese
Ausführung
ist jedoch nicht geeignet, wenn ein Augenhöhlenabtasten erforderlich ist
oder wenn das Skop 10 relativ zum Auge oder der befestigten
Kamera gedreht wird. Dies ist deshalb der Fall, weil beim Versetzen
der Feldmaske 18' von
der längsgerichteten
Achse L auch ein Versatz der Position des auf der Netzhaut des Auges
E (oder in der Kamera usw.) gebildeten Bilds 30 der Feldmaske 18' relativ zu
dieser Achse L und relativ zum Bild 32 des Gegenstands auf der Netzhaut
stattfindet. Wenn sich das optische System nun um seine längsgerichtete Achse
L dreht, wird die Richtung des mit dem Zentrum der Feldmaske verbundenen
Strahlenbündels um
die längsgerichtete
Achse L eine Präzessionsbewegung
ausführen,
wodurch sich die Feldmasken-Bildposition, so wie sie auf der Netzhaut
des Auges oder auf dem CCD-Chip
einer Videokamera gebildet ist, ebenfalls in einer Drehbewegung
um die längsgerichtete
Achse L dreht. Dieser Effekt ist beim Betrachten mit bloßem Auge
erkennbar, er wäre
aber besonders ersichtlich, wenn er mittels einer befestigten Videokamera
betrachtet wird, und könnte
sogar ein Verschieben des Feldmaskenbild aus dem aktiven Bereich
des CCD-Chips hervorrufen, wenn sich das Skop dreht.
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Um
dieses Problem zu lösen,
ist eine zweite Ausführung
der vorliegenden Erfindung vorgesehen und in 3 erläutert.
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Bei
dieser zweiten Ausführung
sind sowohl die Feldmaske 18' als
auch die Okularlinse 20' des Skops 10 um
denselben Betrag und in derselben Richtung von der längsgerichteten
Achse L des Skops 10 versetzt. (Nur zu Vergleichszwecken
sind auch eine konventionelle Feldmaske 18 und eine Okularlinse 20 gezeigt.)
Dies ruft ein Verschieben der gemessenen Betrachtungsrichtung des
Skops 10 hervor.
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Obwohl
das mit dem Zentrum der Feldmaske verbundene Bündel von Lichtstrahlen seine
Position seitlich um die längsgerichtete
Achse L verschiebt, wenn das Rohr 12 um die längsgerichtete
Achse L gedreht wird, ändert
sich ihre Richtung nicht, und da das Strahlenbündel im Wesentlichen parallel
ist, d.h. das Auge oder die Kameralinse ist im Wesentlichen auf
Unendlich fokussiert, führt
dies zu keinerlei Verschieben der Position des Feldmaskenbilds 30 auf der
Netzhaut des Auges oder dem CCD-Kamera-Chip,
wenn sich das Skop dreht. Dementsprechend ist diese Ausführung für Augenhöhlenabtastskope
geeignet, ohne jegliches Bewegen des Feldmaskenbilds zur Folge zu
haben.
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Die
vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Arten implementiert
werden, die einfach in die endgültigen
Stufen des Skopaufbaus implementiert werden können.
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Typischerweise
wird die tatsächliche
Betrachtungsrichtung eines Skops unter Verwendung einer Standardfeldmaske
und eines Okularaufbaus gemessen, welcher eine mit der längsgerichteten Achse
L des Skops zusammenfallende mittlere Achse C aufweist, um dadurch
den Betrag und die Richtung der Feldmaskenverschiebung zu bestimmen, welche
erforderlich ist, um eine gewünschte
Betrachtungsrichtung zu geben.
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Diese
gewünschte
Betrachtungsrichtung kann anschließend dadurch vorgesehen werden, dass
ein geeigneter Okularaufbau aus einer Reihe von Aufbauten ausgewählt wird,
die zum Vorsehen von stufenweise unterschiedlichen Beträgen von
Versatzen in der Position der Feldmaske 18' und der Okularlinse 20' konstruiert
sind. Alternativ kann der Okularaufbau für jedes bestimmte Skop derart
maschinengefertigt sein, dass die innere Bohrung um genau den Betrag
versetzt ist, der zum Erreichen der gewünschten Betrachtungsrichtung
berechnet worden ist.
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Wie
Fachleute erkennen werden, ist der Betrag der Betrachtungsrichtungskorrektur
begrenzt, die mit diesen Mitteln erreicht werden kann. Falls die Verschiebung
in der Feldmaskenposition zu groß ist, beginnt das in der Feldmaske
gesehene Bild dann, durch die physischen Begrenzungen des Linsenrohrs,
des Prismas, der Übermittlungslinsen
oder Objektivlinsen usw. abgeschnitten zu werden. Die vorliegende
Erfindung lockert deshalb die Zentriertoleranzen auf einem Boroskopaufbau
innerhalb von praktikablen Grenzen, auch wenn sie diese nicht vorständig aufhebt.
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Das
für das
Vorsehen einer gegebenen Betrachtungsrichtungsverschiebung erforderliche
Niveau des Versatzes hängt
von der bestimmten Auslegung des Boroskops ab. Im Allgemeinen kann
die folgende Beziehung zwischen der erforderlichen Betrachtungsrichtungsverschiebung α, dem Betrachtungsfeld φ, der Zwischenbildgröße (bei
der Feldmaskenposition) η und
dem Betrag des erforderlichen Versatzes δ angegeben
werden:
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Die
Zwischenbildgröße eines
Skops ist ein Auslegungsparameter, der gegen eine Auswahl von anderen
Parametern ausgewählt
worden ist, um bestimmte Verhaltensabstimmungen im Betrieb zu erreichen.
Im Allgemeinen ist dieser jedoch ein Bruchteil ε des Skopdurchmessers D. Daher
wird die obenstehende Gleichung zu:
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Diese
Gleichung ist nur für
ein System mit einer Null-Verzerrung ganz korrekt. Sie dient jedoch zum
Angeben der allgemeinen Beziehungen. Es ist zu beachten, dass der
zum Erreichen einer gegebenen Betrachtungsrichtungsverschiebung
erforderliche Okularversatz mit dem Durchmesser des Skops zunimmt,
und umgekehrt wie das Betrachtungsfeld. Um eine Betrachtungsrichtungsverschiebung
von 1 ° zu
erreichen, würde
ein Skopdurchmesser von 6 mm, der ein Betrachtungsfeld von 60 Grad
abdeckt, typischerweise einen Versatz von 0.05 mm erfordern. Ein Skopdurchmesser
von 10 mm, der ein Betrachtungsfeld von 35° abdeckt, würde einen Okularversatz von 0.19
mm erfordern.
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Die 4 und 5 zeigen
ein Boroskop gemäß der zweiten
Ausführung,
bei welchem ein einzelner Maskenaufbau verwendet werden kann, um eine
Anzahl von verschiedenen Versatzen vorzusehen.
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Viele
der Merkmale des Boroskops der 4 und 5 sind
konventionell und werden nachstehend nur kurz beschrieben.
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Das
Gehäuse 50 ist
an seinem distalen Ende mit einer Augenhöhlenabtaststeuerung 51 versehen, wohingegen
sich eine Linsenrohrhülse 52 vom
Gehäuse
erstreckt und ein Linsensystem 52' haltert, welches sich zum distalen
Ende des Boroskops erstreckt. Die Betrachtungsmittel umfassen ein
Gehäuseaugenstück 53 mit
einem Fenster 54 und einer konventionellen Fokussteuerung 56,
welche einen Ball 57 in eine schraubenförmige Nut 57' vorrückt, um die
axiale Position eines Okularkörperaufbaus 58 zu ändern.
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Der
Okularkörperaufbau 58 umfasst
an seinem distalen Ende die Feldmaske 18', die mittels Dichtungsscheiben/Abstandsscheiben
auf die ordnungsgemäße axiale
Position eingestellt ist, wohingegen an seinem distalen Ende wahlweise
ein Dove-Prisma 59 vorgesehen
sein kann. Der Okularkörperaufbau 58 weist
vier sich axial erstreckende Nuten 60 auf, die um seinen
Umfang herum gleichmäßig beabstandet
sind. Ein Augenhöhlenabtast-Verbindungsstift 61 erstreckt
sich von der Linsenrohrhülse 52 in
eine der Nuten 60 hinein, um sicherzustellen, dass sich
das Linsenrohr 52 zusammen mit dem Okularkörperaufbau 58 dreht.
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Wie
in 5 am besten gezeigt, befindet sich die Maske 18' mittels eines
Ausrichtungsstifts 62 innerhalb des Okularkörperaufbaus.
Die Maske ist mit vier Nuten 63 versehen (von welchen nur
zwei in 5 gezeigt sind), wobei jede
mit dem Ausrichtungsstift 62 in Eingriff treten kann. Ein
Feldmasken-Betrachtungsrichtungsanzeiger 64 zeigt
die Ausrichtung der Feldmaske 18' innerhalb des Okularkörperaufbaus 58 an.
Die Feldmaske 18' ist
im Okularkörperaufbau 58 mittels
eines Verriegelungsrings (nicht gezeigt) gehalten, welcher mit dem äußeren Umfangsbereich
der Feldmaske 18' in
Eingriff tritt.
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Wenn
das Boroskop zusammengebaut wird, wird der für die Maske erforderliche Versatzgrad
gemäß der obenstehenden
Gleichung bestimmt. Anschließend
wird die Linsenrohrhülse 52 an
den Okularkörperaufbau
montiert, um eine Betrachtungsrichtung gemäß den akzeptierbaren Grenzen
zu geben. Falls bestimmt wird, dass der Versatz außerhalb
der akzeptierbaren Grenzen liegt, wird der Okularkörperaufbau
somit in eine Ausrichtung gedreht, in welcher sich eine positive
oder negative Verschiebung der Betrachtungsrichtung ergibt. Falls
der Versatz innerhalb der akzeptierbaren Grenzen liegt, wird der
Okularkörperaufbau
in einer nominalen Position montiert, die lediglich eine Verschiebung
der Betrachtungsrichtung in einer Richtung ergibt, die zur Ebene,
welche die längsgerichtete
Neigungsachse und die nominale Betrachtungsachse enthält, normal
verläuft.
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Je
nach den relativen Positionen der Linsenrohrhülse 52 und des Okularkörperaufbaus 58 kann es
auch nötig
sein, die Ausrichtung der Feldmaske 18' derart zu ändern, dass die Richtung des
Betrachtungsanzeigers 63 in die richtige Richtung zeigt.
Da die Feldmaske derart montiert ist, dass sie mit der Okularlinse 20' konzentrisch
ist, ist zu beachten, dass dieses Drehen der Feldmaske 18' das Bild nicht mit
einem zusätzlichen
Versatz versieht, sondern nur die Richtungsposition des Betrachtungsanzeigers 64 ändert.
