Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten eines optischen Elements zum Einsatz in ein optisches System eines Endoskops und ein Verfahren zum Zentrieren eines optischen Elements in ei- nem optischen System eines Endoskops. Weiterhin betrifft die Er- findung eine Zentrierdrehvorrichtung.

Beim Einsatz von Endoskopen ist eine gute Bildqualität notwendig, um beispielsweise operierenden Ärzten eine gute Sicht auf das Operationsfeld zu ermöglichen. Bei Videoendoskopen erfordert dies den Einsatz von Bildsensoren mit immer höherer Auflösung. Um diese höhere Auflösung zu nutzen, müssen auch die optischen Ele- mente, beispielsweise die Linsen, sowie ihre Ausrichtung zueinan- der im Endoskop hohen Anforderungen genügen. So müssen die optischen Achsen aller optischen Elemente im optischen System des Endoskops möglichst exakt mit der optischen Achse des opti- schen Systems übereinstimmen. Ist hingegen die Abweichung der optischen Achse eines optischen Elements von der optischen Achse des optischen Systems zu groß, sinkt die Bildqualität des Endo- skops. Um die optischen Achsen der optischen Elemente mit der optischen Achse des optischen Systems in Deckung zu bringen, werden die optischen Elemente üblicherweise mittels eines Schleifverfahrens bearbeitet. Dadurch können optische Elemente mit einer Toleranz des Durchmessers von etwa 20 pm bereitgestellt werden. Durch Einsetzen dieser optischen Elemente in eine ebenfalls mit hoher Präzision hergestellte Optikfassung des optischen Systems werden die optischen Elemente entlang der gemeinsamen optischen Achse ausgerichtet. Mittels eines solchen Schleifverfahrens können jedoch nicht die To- leranzen erreicht werden, die beim Einsatz von hochauflösenden Bildsensoren erforderlich sind. Stattdessen werden in diesem Fall bislang die optischen Elemente in einer Messinghülse eingefasst, die anschließend mit einer speziellen Zentrierdrehmaschine abge- dreht wird. Auf diese Weise werden deutlich kleinere Toleranzen des Durchmessers erreicht.

Durch das Einfassen in die Messinghülse wird der Durchmesser des optischen Elements um etwa 200 pm bis 300 pm erhöht, was im De- sign gegebenenfalls eine Vergrößerung des Endoskopdurchmessers oder eine Verringerung des Durchmessers des optischen Elements erforderlich macht. Zudem kann es bei dem Prozess zu Beschädi- gungen, beispielsweise Aussprengungen, in der abgedrehten Flä- che der H ü Ise kommen. Schließlich ist das Zentrierdrehen zeitinten- siv und das Einbetten des optischen Elements in eine Messinghülse verursacht zusätzliche Kosten. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfah- ren zum Vorbereiten eines optischen Elements zum Einsetzen in ein optisches System eines Endoskops, ein verbessertes Verfahren zum Zentrieren eines optischen Elements in einem optischen Sys- tem eines Endoskops, eine verbesserte Zentrierdrehvorrichtung und ein verbessertes Endoskop bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Vorbereiten ei- nes optischen Elements zum Einsatz in ein optisches System eines Endoskops, wobei das optische Element eine optische Achse und eine zur optischen Achse im Wesentlichen parallele Mantelfläche aufweist, mit den folgenden Verfahrensschritten:

Anordnen des optischen Elements in einer Halterung einer Spindel, die das optische Element um eine Drehachse der Spindel rotiert,

Ausrichten des optischen Elements auf der Spindel, so dass die optische Achse des optischen Elements mit der Drehach- se der Spindel übereinstimmt,

Abtragen eines äußeren Mantelflächenbereichs des optischen Elements, bis die Mantelfläche einen konstanten Abstand zur optischen Achse des optischen Elements aufweist, wobei das Verfahren dadurch weitergebildet ist, dass das Abtragen des äußeren Mantelflächenbereichs durch Laserablation, insbeson- dere mittels eines Ultrakurzpulslasers, erfolgt.

Im Gegensatz zu einem Zentrierdrehverfahren nach dem Stand der Technik wird der üblicherweise verwendete Drehmeißel durch einen Ultrakurzpulslaser ersetzt. Dieser Ultrakurzpulslaser hat vorteilhaft eine Pulsdauer im Femtosekundenbereich. Mit einem derartigen La- ser wird das abgetragene Material präziser abgetragen als mit ei- nem Drehmeißel. Weiterhin werden Aussprengungen beim Drehvor- gang vermieden. Da der Ablationsvorgang auf atomarer Ebene statt findet, kann eine Oberfläche mit sehr geringer Rauigkeit erzeugt werden. Das Anfasen erfolgt ebenfalls sehr präzise und reprodu- zierbar und ohne Aussprengungen.

Bevorzugt wird das optische Element aus einem optisch durchlässi- gen Material gefertigt, wobei beim Abtragen des äußeren Mantelflä- chenbereichs direkt das optisch durchlässige Material abgetragen wird. Während es beim Zentrierdrehen mit einem Drehmeißel zu Aussprengungen kommen kann oder eine Platz einnehmende Hülse eingesetzt werden muss, ist dies bei einer Abtragung mittels Laser- ablation nicht notwendig.

Vorteilhaft wird das optische Element vollständig aus dem optisch durchlässigen Material, beispielweise optischem Glas, gefertigt und es kann auf eine Hülse verzichtet werden. Dies erlaubt die Herstel- lung von optischen Elementen mit einem größeren Durchmesser als bisher, wodurch mehr Licht eingefangen wird und die Bildqualität eines Endoskops mit diesem optischen Element verbessert wird. Weiterhin entfallen die Kosten, die durch die Einbettung des opti schen Elements in eine Hülse entstehen. Alternativ kann der Durchmesser der Optik insgesamt verkleinert werden bei gleichblei bender Lichtmenge, da kein Platz mehr von Messinghülsen ver- braucht wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Ausrichten des optischen Elements auf der Spindel mittels wenigstens einer Stoß- vorrichtung, wobei die Stoßvorrichtung die Ausrichtung der opti- schen Achse des optischen Elements bezüglich der Drehachse der Spindel durch Stöße mit einer mit der Halterung verbundenen Aus- richteeinheit verändert.

Die Ausrichteeinheit ist ein Bestandteil der Spindel. Ein erster Teil der Ausrichteeinheit ist so angeordnet, dass seine Ausrichtung ge- genüber der Drehachse der Spindel fest ist. Ein zweiter Teil der Ausrichteeinheit, der gelagert auf dem ersten Teil der Ausrichteein- heit angeordnet ist, ist direkt mit der Halterung verbunden. Die Aus- richtung dieses zweiten Teils der Ausrichteeinheit gegenüber der Drehachse der Spindel ist variabel, so dass durch Stöße der Stoß- vorrichtung mit dem zweiten Teil der Ausrichteeinheit die Ausrich- tung der optischen Achse eines in der Halterung befindlichen Ele- ments gegenüber der Drehachse der Spindel verändert wird. So kann die optische Achse des optischen Elements äußerst präzise gegenüber der Drehachse der Spindel eingestellt werden.

Weiterhin bevorzugt wird das Ausrichten des optischen Elements auf der Spindel durch Erfassung eines Lichtsignals auf einem foto- sensitiven Element einer Signalerfassungsvorrichtung überprüft, wobei das Lichtsignal erzeugt wird, indem ein Lichtstrahl durch das optische Element entlang der Drehachse der Spindel in Richtung des fotosensitiven Elements geleitet wird, wobei die Ausrichtung des optischen Elements so lange verändert wird, bis bei einer Dre- hung der Spindel eine Position des Lichtsignals auf dem fotosensiti- ven Element konstant bleibt.

Weicht die Ausrichtung der optischen Achse des optischen Ele- ments von der Drehachse der Spindel ab, so beschreibt ein entlang der Drehachse der Spindel geleiteter Lichtstrahl auf dem fotosensi- tiven Element eine Rotationsbewegung. Mit der Signalerfassungs- vorrichtung wird in diesem Fall eine kreisförmige Bewegung des er- fassten Lichtsignals aufgezeichnet. Liegt die optische Achse des optischen Elements hingegen genau auf der Drehachse der Spindel, so bleibt die Position des Lichtstrahls auf dem fotosensitiven Ele- ment konstant. Auf diese Weise kann sehr genau überprüft werden, ob die optische Achse des optischen Elements mit der Drehachse der Spindel übereinstimmt.

Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Zentrie- ren eines optischen Elements in einem optischen System eines En- doskops, wobei das optische System eine optische Achse aufweist und das optische Element eine optische Achse und eine zur opti schen Achse im Wesentlichen parallele Mantelfläche aufweist, mit den folgenden Verfahrensschritten:

Abtragen eines äußeren Mantelflächenbereichs des optischen Elements, bis die Mantelfläche einen konstanten Abstand zur optischen Achse des optischen Elements aufweist,

Einsetzen des optischen Elements in das optische System, wobei die Mantelfläche des optischen Elements an einer In- nenfläche einer Optikfassung des optischen Systems anliegt und die optische Achse des optischen Elements mit der opti schen Achse des optischen Systems übereinstimmt, das dadurch weitergebildet ist, dass das Abtragen des äußeren Mantelflächenbereichs des optischen Elements mittels Laserablati- on erfolgt, insbesondere mittels des zuvor dargelegten Verfahrens zum Vorbereiten eines optischen Elements zum Einsatz in ein opti- sches System eines Endoskops.

Gemäß diesem Verfahren zum Zentrieren eines optischen Elements in einem optischen System eines Endoskops ist das optische Ele- ment in die Optikfassung des optischen Systems einsetzbar, ohne dass eine Einbettung des optischen Elements in eine Hülse erfor- derlich wäre. Die Innenfläche der Optikfassung weist einen Durch- messer auf, der im Wesentlichen dem Durchmesser des optischen Elements entspricht. Da die Mantelfläche des optischen Elements nach dem Abtragen des äußeren Mantelflächenbereichs einen kon- stanten Abstand zur optischen Achse des optischen Elements auf- weist, wird durch das Einsetzen des optischen Elements in die Op- tikfassung des optischen Systems das optische Element so zentriert, dass die optische Achse des optischen Elements mit der optischen Achse des optischen Systems übereinstimmt.

Bevorzugt werden mehrere optische Elemente in das optische Sys- tem eingesetzt, wobei die optischen Achsen aller optischen Elemen- te mit der optischen Achse des optischen Systems in Übereinstim- mung gebracht werden und wobei die Mantelflächen aller optischen Elemente an der Innenfläche der Optikfassung des optischen Sys- tems anliegen.

Indem mehrere optische Elemente, vorzugsweise alle optischen Elemente des optischen Systems, die eine optische Achse aufwei- sen, auf die beschriebene Weise bearbeitet und in das optische System eingesetzt werden, wird eine äußerst präzise Ausrichtung der optischen Achsen der optischen Elemente erreicht und eine ho- he Bildqualität des Endoskops erzielt.

Das Verfahren zum Zentrieren eines optischen Elements in einem optischen System eines Endoskops verkörpert zudem die gleichen Vorteile, Merkmale und Eigenschaften, wie das zuvor beschriebene Verfahren zum Vorbereiten eines optischen Elements zum Einsatz in ein optisches Systems eines Endoskops.

Sch I ießl ich wird die Aufgabe gelöst durch eine Zentrierdrehvorrich- tung, umfassend eine um eine Drehachse rotierbare Spindel mit ei- ner Halterung für ein optisches Element für ein Endoskop und eine Abtragungsvorrichtung mit einem Abtragungselement, das dazu ein- gerichtet ist, eine Mantelfläche eines optischen Elements in der Hal- terung abzutragen, wobei die Zentrierdrehvorrichtung dadurch wei- tergebildet ist, dass das Abtragungselement ein Ultrakurzpulslaser ist.

Bei einer Zentrierdrehvorrichtung gemäß dem Stand der Technik wird als Abtragungselement für gewöhnlich ein Drehmeißel verwen- det. Dieser wird vorteilhaft durch einen Ultrakurzpulslaser ersetzt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Stoßvorrichtung um- fasst, die dazu eingerichtet ist, durch Stöße mit einer mit der Halte- rung verbundenen Ausrichteeinheit die Ausrichtung der Halterung bezüglich der Drehachse zu verändern.

Weiterhin bevorzugt ist wenigstens eine Signalerfassungsvorrich- tung mit einem fotosensitiven Element umfasst, wobei das fotosen- sitive Element so angeordnet ist, dass durch die Signalerfassungs- vorrichtung ein Lichtsignal eines entlang der Drehachse der Spindel geleiteten Lichtstrahls erfassbar ist.

Ebenfalls bevorzugt ist es, wenn die Spindel eine hydrostatische Lagerung aufweist. Vorteilhaft erfolgt die Rotation der Spindel durch die hydrostatische Lagerung äußerst präzise, so dass eine Ände- rung der Drehachse während der Rotation vermieden wird.

Die Zentrierdrehvorrichtung verkörpert ebenfalls die gleichen Vortei- le, Merkmale und Eigenschaften wie die zuvor beschriebenen Ver- fahren. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Endoskop mit einem opti schen Element zum Einsatz in ein optisches System des Endo- skops, wobei das optische Element eine optische Achse und eine zur optischen Achse im Wesentlichen parallele Mantelfläche auf- weist und wobei das optische Element mit einem Verfahren zum Vorbereiten eines optischen Elements nach einer oder mehreren der zuvor genannten Ausführungsformen vorbereitet ist.

Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Endoskop mit einem opti- sehen Element zum Einsatz in ein optisches System des Endo- skops, wobei das optische Element eine optische Achse und eine zur optischen Achse im Wesentlichen parallele Mantelfläche auf- weist und wobei das optische Element mit einem Verfahren zum Zentrieren eines optischen Elements nach einer oder mehreren der zuvor genannten Ausführungsformen zentriert ist.

Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung er- findungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprü- chen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsge- mäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemei- nen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelhei- ten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Ele- ments in einem optischen System gemäß dem Stand der Technik, Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines opti- schen Elements vor der Durchführung des erfindungs- gemäßen Verfahrens, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Zentrierdrehvor- richtung,

Fig. 4a eine schematische Darstellung eines optischen Ele- ments auf einer Halterung einer Spindel,

Fig. 4b eine schematische Darstellung eines fotosensitiven

Elements mit einem Lichtsignal,

Fig. 5a eine schematische Darstellung des optischen Elements auf der Flalterung aus Fig. 4a, mit übereinstimmender

Ausrichtung der optischen Achse des optischen Ele- ments und der Drehachse der Spindel,

Fig. 5b eine schematische Darstellung eines fotosensitiven

Elements mit einem Lichtsignal,

Fig. 6 eine schematische Darstellung des optischen Elements auf der Halterung gemäß Fig. 5a während einer Laser- ablation und

Fig. 7 zwei optische Elemente, die in eine Optikfassung eines optischen Systems eingesetzt wurden.

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. Fig. 1 zeigt schematisch ein optisches System 10 eines Endoskops nach dem Stand der Technik im Querschnitt. In einer Optikfassung 14 des optischen Systems 10 ist ein optisches Element 20 einge- setzt. Das optische Element 20 ist in eine Hülse 16, beispielsweise eine Messinghülse, eingebettet. Da die mechanische Achse der Messinghülse 16 und die optische Achse 22 des optischen Elements 20 nicht übereinstimmen, stimmen auch die optische Achse 12 des optischen Systems 10 und die optische Achse 22 des optischen Elements 20 nicht überein. Um dieses Problem zu lösen, wird ge- maß dem Stand der Technik die Messinghülse 16 durch Zentrier- drehen so bearbeitet, dass die optischen Achsen 12 und 22 über- einstimmen. Jedoch ist das Zentrierdrehverfahren sehr arbeitsauf- wändig und setzt die Verwendung einer Hülse 16 voraus, wodurch der maximale Durchmesser des optischen Elements 20 begrenzt wird.

Fig. 2 zeigt schematisch ein optisches Element 20 in einer Quer- schnittsdarstellung. Das optische Element 20 ist aus einem optisch durchlässigen Material 28 gefertigt, beispielsweise optischem Glas. Die Form des optischen Elements 20 weicht von der Form eines Kreises 21 ab. Der Kreis 21 in Fig. 2 ist der größte Kreis, dessen Mittelpunkt die optische Achse 22 bildet und noch vom optischen Element 20 umfasst wird. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Vorbereiten eines optischen Elements zum Einsatz in ein optisches System eines En- doskops wird die Mantelfläche 26 des optischen Elements so abge- tragen, dass die Mantelfläche 26 dem Kreis 21 folgt. Fig. 3 zeigt schematisch eine Zentrierdrehvorrichtung 30, mit der dieses Verfahren ausführbar ist. Die Zentrierdrehvorrichtung 30 um- fasst eine Spindel 31 , die um die Drehachse 32 rotierbar ist. Dies ist durch den um die Drehachse 32 angeordneten Pfeil angedeutet. Damit die Rotation möglichst gleichmäßig erfolgt, umfasst die Spin- del 31 eine in Fig. 3 nicht näher dargestellte hydrostatische Lage- rung 34. Zudem umfasst die Spindel 31 die Halterung 33, die das zu bearbeitende optische Element 20 hält.

Weiterhin umfasst die Spindel 31 eine Ausrichteeinheit 37, die einen ersten Teil 37a und einen zweiten Teil 37b aufweist, welche in Fig. 3 durch die waagerechte Punkt-Linie getrennt sind. Der erste Teil 37a ist dabei so angeordnet, dass seine Ausrichtung zur Drehachse

32 konstant bleibt. Der zweite Teil 37b ist mit der Halterung 33 ver- bunden und so auf dem ersten Teil 37a gelagert, dass der zweite Teil 37b gegenüber der Drehachse 32 verkippbar ist. Mittels einer Stoßvorrichtung 36 können Stoßprozesse bzw. Stöße gegen den zweiten Teil 37b der Ausrichteeinheit 37 ausgeführt werden, so dass die Ausrichtung des zweiten Teils 37b, und somit des opti schen Elements 20, gegenüber der Drehachse 32 veränderbar ist.

Oberhalb des optischen Elements 20 ist eine Signalerfassungsvor- richtung 38 vorgesehen, die über ein fotosensitives Element 39 ver- fügt. Mittels der Signalerfassungsvorrichtung 38 lässt sich die Aus- richtung der optischen Achse 22 des optischen Elements 20 gegen- über der Drehachse 32 überprüfen, indem ein Lichtstrahl entlang der Drehachse 32 durch das optische Element 20 in Richtung des fotosensitiven Elements 39 geleitet wird.

Schließlich umfasst die Zentrierdrehvorrichtung 30 eine Abtra- gungsvorrichtung 35. Diese verwendet als Abtragungselement in der gezeigten Ausführungsform einen Ultrakurzpulslaser mit einer Wel- lenlänge im Femtosekundenbereich.

Fig. 4a bis Fig. 6 beschreiben beispielhaft ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Vorbereiten eines optischen Elements 20 zum Ein- satz in ein optisches System 10 eines Endoskops.

Fig. 4a zeigt schematisch ein optisches Element 20, das von der Halterung 33 gehalten wird. Die optische Achse 22 des optischen Elements 20 stimmt dabei nicht mit der Drehachse 32 der Spindel 31 überein. Bei Rotation der Spindel 31 beschreibt die optische Achse 22 daher eine rotierende Bewegung um die Drehachse 32. Ein Lichtstrahl, der in der Darstellung in Fig. 4a von unten entlang der Drehachse 32 durch das optische Element 20 geleitet wird, be- schreibt auf dem über dem optischen Element 20 angeordneten fo- tosensitiven Element 40 eine kreisförmige Bewegung, wie in Fig. 4b gezeigt.

Mittels der Stoßvorrichtung 36 und der Ausrichteeinheit 37 wird vor der Abtragung der Mantelfläche 26 die Ausrichtung der optischen Achse 22 des optischen Elements 20 auf der Spindel 31 so verän- dert, dass die optische Achse 22 des optischen Elements 20 mit der Drehachse 32 der Spindel 31 übereinstimmt, wie in Fig. 5a gezeigt. Fig. 5b stellt dar, wie sich die Ausrichtung der optischen Achse 22 entlang der Drehachse 22 mit der Signalerfassungsvorrichtung 38 überprüfen lässt, da in diesem Fall das Lichtsignal 40 auf dem foto- sensitiven Element 39 keine Rotation mehr beschreibt.

In Fig. 6 ist schematisch der darauffolgende Abtrageprozess ge- zeigt. Dazu wird die Abtragungsvorrichtung 35 so angeordnet, dass mittels des Ultrakurzpulslasers 41 der äußere Mantelflächenbereich 27 des optischen Elements 20 abgetragen wird.

Mit dem Ultrakurzpulslaser 41 kann direkt das optisch durchlässige Material 28 des optischen Elements 20 abgetragen werden, so dass auf eine Einbettung des optischen Elements 20 in eine Messinghül- se verzichtet werden kann.

Die in Fig. 2 und den Fig. 4a bis 6 dargestellte Abweichung der Form des optischen Elements 20 und der Ausrichtung der Achse 22 des optischen Elements 20 ist zur besseren Veranschaulichung stark übertrieben dargestellt.

In Fig. 7 ist schematisch gezeigt, wie zwei optische Elemente 20, 20‘ in eine Optikfassung 14 des optischen Systems 10 eingesetzt werden. Die Optikfassung 14 des optischen Systems 10 weist dazu eine äußerst präzise gefertigte Innenfläche 15 auf, deren Durch- messer im Wesentlichen dem Durchmesser der optischen Elemente 20, 20‘ entspricht. Die optischen Elemente 20, 20‘ werden so in die Optikfassung 14 eingelegt, dass die Mantelflächen 26, 26‘ der opti- schen Elemente 20, 20‘ an der Innenfläche 15 anliegen. Auf diese Weise werden die optischen Elemente 20, 20‘ so im optischen Sys- tem 10 ausgerichtet, dass die optischen Achsen 22, 22‘ der opti schen Elemente 20, 20‘ exakt mit der optischen Achse 12 des opti- schen Systems 10 übereinstimmen.

Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu ent- nehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombinati- on als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausfüh- rungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombinati- on mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekenn- zeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen. Bezuqszeichenliste

10 optisches System

12 optische Achse

14 Optikfassung

15 Innenfläche

16 Hülse

20, 20‘ optisches Element

21 Kreis

22, 22‘ optische Achse

26, 26‘ Mantelfläche

27 äußerer Mantelflächenbereich

28 Material

30 Zentrierdrehvorrichtung 31 Spindel

32 Drehachse

33 Halterung

34 hydrostatische Lagerung

35 Abtragungsvorrichtung 36 Stoßvorrichtung

37 Ausrichteeinheit

37a erster Teil

37b zweiter Teil

38 Signalerfassungsvorrichtung 39 fotosensitives Element

40 Lichtsignal

41 Ultrakurzpulslaser