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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Senden und Empfangen eines
optischen Signals, insbesondere die Anordnung einer Abstrahleinheit und
einer Empfangseinheit derart, dass eine Verkleinerung der Einrichtung
erzielt wird.
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Es
wird eine Einrichtung zum Senden und Empfangen eines optischen Signals,
im Folgenden auch kurz als Sende-Empfangsgerät bezeichnet, vorgeschlagen,
das ein eine Information enthaltendes optisches Signal sendet.
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Die
ungeprüfte
Japanische Patentveröffentlichung
(KOKAI) Nr. 2004-96299
offenbart eine Einrichtung, die ein eine Information enthaltendes
optisches Signal sendet, die gesendete Lichtmenge anhand des an
einem Lichtleiter reflektierten Lichtes erfasst und dann die gesendete
Lichtmenge einstellt.
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Jedoch
liegt die Abstrahlfläche
der Signalabstrahleinheit, die das optische Signal aussendet, senkrecht
zur Empfangsfläche
der Signalempfangseinheit, die das ausgesendete Licht zur Erfassung der
Lichtmenge empfängt.
Dieses optische Signalsendegerät
ist deshalb vergleichsweise groß.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Senden und Empfangen
eines optischen Signals anzugeben, die die Übertragung des informationsenthaltenden
optischen Signals bei einer vergleichsweise geringen Baugröße ermöglicht.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch die Einrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines Endoskops nach erstem, zweitem und drittem Ausführungsbeispiel;
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2 eine
Seitenansicht der in dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehenen
Abbildungseinheit;
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3 eine
Seitenansicht einer Vergussbaugruppe und eines Lichtwellenleiterkabels,
die in dem ersten Ausführungsbeispiel
voneinander getrennt voneinander vorgesehen sind;
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4 eine
Seitenansicht der in dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehenen
Abbildungseinheit;
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5 eine
Seitenansicht der in dem dritten Ausführungsbeispiel vorgesehenen
Abbildungseinheit;
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6 eine
Konstruktionszeichnung einer in dem dritten Ausführungsbeispiel vorgesehenen
Beugungsgitterplatte; und
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7 eine
Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels,
das sich von dem in 3 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel
unterscheidet, in dem die Vergussbaugruppe und das Lichtwellenleiterkabel voneinander
getrennt sind.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren gezeigten
Ausführungsbeispiele
beschrieben. In dem ersten Ausführungsbeispiel
wird ein elektronisches Endoskopsystem 1 als Beispiel eines
Gerätes
beschrieben, an das ein Lichtwellenleiterkabel gekoppelt ist. Wie
in 1 gezeigt, hat das elektronische Endoskopsystem 1 nach
erstem Ausführungsbeispiel
eine elektrische Betrachtungseinheit 10 als Quelle eines
Videosignals und einen Prozessor 30 als Quelle eines Steuersignals.
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Die
elektrische Betrachtungseinheit 10 hat an ihrem distalen
Endteil eine Objektivoptik 13 und eine Abbildungseinheit 15.
Die Abbildungseinheit 15 bildet durch die Objektivoptik 13 beispielsweise
einen Körperteil,
wie ein Hohlorgan, ab, der das aufzunehmende Objekt darstellt und
von der Beleuchtungseinheit 11 beleuchtet wird.
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Die
Beleuchtungseinheit 11 hat einen Lichtleiter 11a und
eine Beleuchtungslinse 11b.
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Die
Abbildungseinheit 15 hat einen CMOS-Sensor 15a,
eine CDS-Schaltung 15b, wobei "CDS" für "Correlated Double
Sampling", also
korrelierte Doppelabtastung, steht, einen Analog-Digital-Wandler,
kurz ADC, 15c, einen Videosignal-LD-Treiber 15d,
wobei "LD" für Laserdiode
steht, eine Videosignal-Abstrahleinheit 15e, z.B. in Form
eines VCSEL, d.h. eines Halbleiterlasers, bei dem das Licht senkrecht
zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird, eine erste Glasplatte 15f1,
eine zweite Glasplatte 15f2, eine erste Linse 15h1,
eine zweite Linse 15h2, ein erstes Prisma 15i1,
ein zweites Prisma 15i2, eine Kondensorlinse 15i3,
ein Lichtwellenleiterkabel 15j, eine Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b,
z.B. in Form einer Fotodiode, kurz PD, einen Steuersignal-Verstärker 17c,
einen Steuersignal-PLL-Decodierer 17d, wobei "PLL" für "Phase-Locked-Loop" steht, einen Zeitgeber
(TG) 17e, einen integrierten Logikschaltkreis, kurz IC, 17z,
ein Stromversorgungskabel 19a und eine Stromversorgungseinheit 19b.
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Der
Zeitgeber 17e umfasst einen Hilfszeitgeber 17e1 und
einen Hauptzeitgeber 17e2, wie in 2 gezeigt
ist.
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Der
Prozessor 30 versorgt die elektrische Betrachtungseinheit 10 sowohl
mit Licht als auch mit elektrischer Energie, nimmt an dem Bildsignal,
das auf das von der elektrischen Betrachtungseinheit 10 abgebildete
Objekt bezogen ist, eine vorbestimmte Bildverarbeitung vor und wandelt
das Bildsignal in ein Videosignal, das auf einem nicht gezeigten
Fernsehmonitor dargestellt werden kann.
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Der
Prozessor 30 hat eine Lichtquelleneinheit 31,
eine erste Videosignal-Fotosensoreinheit 35, z.B.
in Form einer Fotodiode, kurz PD, einen Videosignal-PLL-Decodierer 35b,
eine digitale Signalprozessorschaltung, kurz DSP-Schaltung, 35c,
einen D-A-Wandler 35d, einen Codierer 35e, eine
CPU 37a, einen Synchronisationssignalgenerator, kurz SSG, 37b,
einen Steuersignal-LD-Treiber 37c, eine Steuersignal-Abstrahleinheit 37d,
z.B. in Form einer Fabry-Perot-Laserdiode, kurz FP-LD, ein wellenlängenseparierendes
Prisma 37e, eine Kondensorlinse 37f und eine CMOS-Stromversorgungseinheit 39.
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Die
Lichtquelleneinheit 31 ist eine Beleuchtungsschaltung mit
einer Xenonlampe oder dergleichen als Lichtquelle, die Licht zur
Beleuchtung des aufzunehmenden Objektes abstrahlt. Das von der Lichtquelleneinheit 31 abgegebene
Licht erreicht über
den distalen Endteil der Betrachtungseinheit 10 das Objekt,
nachdem es sich durch den Lichtleiter 11a und die Beleuchtungslinse 11b ausgebreitet
hat.
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Das
aufzunehmende Objekt wird von dem CMOS-Sensor 15a durch
die Objektivoptik 13 als optisches Bild abgebildet. Dieses
optische Bild wird von der DSP-Schaltung 35c des Prozessors 30 verarbeitet,
nachdem der CDS 15b eine korrelierte Doppelabtastung und
der ADC 15c eine A/D-Wandlung
durchgeführt
haben.
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In
dem ersten Ausführungsbeispiel
dient der CMOS-Sensor 15a als Abbildungssensor. Da der Verstärker für den CMOS-Sensor
in der Nähe
des das Licht empfangenden CMOS-Sensors angeordnet ist, tritt weniger
Signalrauschen auf, als wenn ein CCD-Sensor als Abbildungssensor
verwendet wird.
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Da
ferner zur Ansteuerung eine einzige Stromversorgung, die +3,3 Volt
liefert, verwendet wird, besteht zudem der Vorteil, dass zwischen
dem distalen Endteil der Betrachtungseinheit 10 und dem Prozessor 30 nur
wenig Verdrahtung benötigt
wird.
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Die Übertragung
des Bildsignals von dem ADC 15c der Betrachtungseinheit 10 an
die DSP-Schaltung 35c des Prozessors 30 erfolgt über Licht.
Dabei wird das Bildsignal von dem ADC 15c in ein digitales
Signal gewandelt. Anschließend
wandelt der Logik-IC 17z dieses parallele Signal in ein
serielles Signal. Dann wandelt der Videosignal-LD-Treiber 15d dieses
serielle Signal in ein EIN/AUS-Lichtsignal, wobei letzteres an der
impulsgesteuerten Videosignal-Abstrahleinheit 15e auf-
und ableuchtet.
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Das
EIN/AUS-Lichtsignal breitet sich dann durch die erste Glasplatte 15f1,
die erste Linse 15h1, das erste Prisma 15i1, das
zweite Prisma 15i2, die Kondensorlinse 15i3, das
Lichtwellenleiterkabel 15j, die Kondensorlinse 37f und
das wellenlängenseparierende
Prisma 17e aus, bevor es von der ersten Videosignal-Fotosensoreinheit 35a empfangen
und verstärkt
wird. Anschließend
wird das Signal von dem Videosignal-PLL-Decodierer decodiert. Das
decodierte Signal wird dann von der DSP-Schaltung 35c einer
Bildsignalverarbeitung unterzogen. In 1 ist der
Logik-IC 17z weggelassen.
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Die
Wellenlänge
des von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e abgegebenen
Lichtes ist etwa auf 850 nm eingestellt. Das Licht stellt demnach Infrarotstrahlung
dar.
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So
kann die Signalverschlechterung (Signalverlust) zwischen der Betrachtungseinheit 10 und dem
Prozessor 30 gegenüber
einer Ausführungsform,
bei der zwischen der Betrachtungseinheit 10 und dem Prozessor 30 ein
analoges elektrisches Signal übertragen
wird, verringert werden.
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Da
außerdem
ein digitales elektrisches Signal in das von der Betrachtungseinheit 10 an
den Prozessor 30 gesendete Lichtsignal gewandelt wird, kann
gegenüber
einer Ausführungsform,
bei der ein analoges elektrisches Signal in das gesendete Lichtsignal
gewandelt wird, eine zusätzliche
Menge an Information übertragen
werden.
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Hat
beispielsweise die elektrische Betrachtungseinheit 10 einen
VGA-CMOS-Sensor
(640 × 480
entsprechend 30 Megapixel), eine Bildfrequenz von 30 Bildern je
Sekunde und eine Farbabstufung von 10 Bits (1024 Stufen), so beträgt die Übertragungsgeschwindigkeit,
mit der die Pixelzahl, die Bildfrequenz und die Farbabstufung multipliziert
werden, etwa 92 Mbps. Wird ein analoges elektrisches Signal von
der elektrischen Betrachtungseinheit 10 über ein dünnes Drahtkabel
an den Prozessor 30 gesendet, so ist es schwierig, das
Bildsignal mit einer Übertragungsgeschwindigkeit,
die über
100 bis 200 Mbps hinausgeht, ohne Phasenverzögerung zu übertragen.
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Dagegen
wird in dem ersten Ausführungsbeispiel
ein digitales Lichtsignal übertragen.
Damit kann das Bildsignal ohne Phasenverzögerung mit hohen Übertragungsgeschwindigkeiten,
die 1 Gbps übersteigen,
entsprechend hohen Pixeldichten, einer hohen Bildfrequenz sowie
einer hohen Farbabstufung übertragen
werden.
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Nachdem
die DSP-Schaltung 35c die Bildverarbeitung und der DAC 35d die
D-A-Wandlung durchgeführt
hat, werden das Videosignal, das von dem Codierer 35e nach
Y/C separiert wird, und das analoge RGB-Komponentensignal an den nicht gezeigten
Fernsehmonitor gesendet, der diese Signale als Bildsignal darstellt.
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Die
CPU 37a steuert die einzelnen Teile der Betrachtungseinheit 10 und
des Prozessors 30. Insbesondere sendet die CPU 37a unter
anderem über den
Synchronisationssignalgenerator 37b Triggersignale für eine automatische
Verstärkungsregelung, kurz
AGC, für
eine automatische Belichtung, kurz AE, und zum Einfrieren der Aufnahme
als Befehlssteuersignale an die elektrische Betrachtungseinheit 10.
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Der
Synchronisationssignalgenerator 37b erzeugt unter der Steuerung
der CPU 37a ein Synchronisationssignal in Form eines Impulssignals.
Das Synchronisationssignal wird in Abhängigkeit der Impulse des Steuersignal-LD-Treibers 37c in
das EIN/AUS-Lichtsignal gewandelt. Das EIN/AUS-Lichtsignal leuchtet
an der impulsgesteuerten Steuersignal-Abstrahleinheit 37d auf und
ab.
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Das
EIN/AUS-Lichtsignal läuft
durch das wellenlängenseparierende
Prisma 37e, die Kondensorlinse 37f, das Lichtwellenleiterkabel 15j,
die Kondensorlinse 15i3, das zweite Prisma 15i2,
die zweite Linse 15h2 und die zweite Glasplatte 15f2,
bevor es von der Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b, die
eine Fotodiode aufweist, empfangen wird. Das EIN/AUS-Lichtsignal wird
dann von dem Steuersignal-Verstärker 17c verstärkt und
von dem Steuersignal-PLL-Decodierer 17d decodiert.
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Die
Wellenlänge
des von der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d ausgesendeten
Lichtes wird etwa 650 nm eingestellt, so dass dieses Licht rotes Licht
darstellt.
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Der
Zeitgeber 17c gibt auf Grundlage des von dem Steuersignal-PLL-Decodierer 17d decodierten
Signals einen Taktimpuls aus. Der Haupt- Zeitgeber 17e2 gibt einen Taktimpuls
(Zeitsteuerimpuls) unter anderem für den ADC 15c. Der
Hilfszeitgeber 17e1 wandelt den von dem Hauptzeitgeber 17e2 ausgegebenen
Taktimpuls in einen Taktimpuls für den
CMOS-Sensor 15a sowie die CDS-Schaltung 15b und
gibt dann den gewandelten Taktimpuls an den CMOS-Sensor 15a und
die CDS-Schaltung 15b aus.
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Der
CMOS-Sensor 15a, die CDS-Schaltung 15b und der
ADC 15c werden in Abhängigkeit
der von dem Zeitgeber 17e ausgegebenen Taktimpulse betrieben.
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Die
CMOS-Stromversorgungseinheit 39 des Prozessors 30 versorgt
die Stromversorgungseinheit 19b der Betrachtungseinheit 10 über das
Stromversorgungskabel 19a mit elektrischer Energie. Die Stromversorgungseinheit 19b speist
die einzelnen Teile der Betrachtungseinheit 10, z.B. die
Abbildungseinheit 15, mit elektrischer Energie.
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In
dem ersten Ausführungsbeispiel
wird die elektrische Energie durch das Stromversorgungskabel 19a von
dem Prozessor 30 an die Betrachtungseinheit 10 geliefert.
Die Versorgung mit elektrischer Energie kann jedoch auch durch den
Lichtleiter 11a erfolgen. Dabei ist eine Solarzelle an
dem den CMOS-Sensor 15a aufweisenden distalen Endteil der
elektrischen Betrachtungseinheit 10 angeordnet. Ein Teil
des durch den Lichtleiter 11a tretenden Lichtes wird von
der Solarzelle in elektrische Energie gewandelt, so dass die einzelnen
Teile der Betrachtungseinheit 10 auf Grundlage dieser gewandelten elektrischen
Energie mit elektrischem Strom versorgt werden.
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Bei
dieser Konstruktion sind die CMOS-Stromversorgungseinheit 39 und
das Stromversorgungskabel 19a nicht erforderlich. Dadurch kann
der Durchmesser des Kabelanschlussteils der Betrachtungseinheit 10,
der zur Verbindung des Prozessors 30 mit dem distalen Endteil
der Betrachtungseinheit 10 benötigt wird, verringert werden.
Außerdem
können
durch externes Rauschen verursachte Störungen reduziert und die Isolierung
zwischen dem distalen Endteil der Betrachtungseinheit 10 und
dem Prozessor 30 verbessert werden, wodurch die Gefahr
eines elektrischen Schlags, der von der Hochspannungsversorgung
der Xenonlampe der Lichtquelle 31 verursacht wird, wirksam
herabgesetzt wird.
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Das
Lichtwellenleiterkabel 15j hat einen Faserkern 15j1 und
eine Schutzhülse 15j2.
Der Durchmesser des Faserkerns 15j1 beträgt etwa
200 μm. Der
Durchmesser der Schutzhülse 15j2,
die den Faserkern 15j1 umgibt, beträgt etwa 1,25 mm.
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Ein
Ende des Faserkerns 15j1 ist der Videosignal-Abstrahleinheit 50e zugewandt,
wobei es gleichsam durch ein Deckglasfenster 51b, die Kondensorlinse 15i3,
das zweite Prisma 15i2, das erste Prisma 15i1,
die erste Linse 15h1 und die erste Glasplatte 15f1 blickt.
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Das
andere Ende des Faserkerns 15j1 ist gleichsam durch die
Kondensorlinse 37f und das wellenlängenseparierende Prisma 37e blickend
der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d zugewandt.
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Durch
den Faserkern 15j1 wird das Steuersignal von dem Prozessor 30 an
die Betrachtungseinheit 10 gesendet, während das Videosignal von der Betrachtungseinheit 10 an
den Prozessor 30 gesendet wird.
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Ein
nicht gezeigtes Verbindungskabel zwischen der Betrachtungseinheit 10 und
dem Prozessor 30 enthält
das Lichtwellenleiterkabel 15j und das Stromversorgungskabel 19a.
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Im
Folgenden wird der Teil, auf dem der CMOS-Sensor 15a etc.
montiert ist, für
das erste Ausführungsbeispiel
erläutert
(vergl. 2 und 3). Der
die Stromversorgung betreffende Teil ist in 2 weggelassen.
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Die
Abbildungseinheit 15 hat eine erste Leiterplatte 14a1,
eine zweite Leiterplatte 14a2, eine vierte Leiterplatte 14a4,
eine fünfte
Leiterplatte 14a5, eine sechste Leiterplatte 14a6,
eine Vergussbaugruppe 51, ein Positionierelement 53,
ein Metallgehäuse 55,
eine Wärmestrahlungsplatte 57 und
eine zur Montage bestimmte Plattenträgereinheit 59.
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Die
erste Leiterplatte 14a1, die zweite Leiterplatte 14a2,
die vierte Leiterplatte 14a4, die fünfte Leiterplatte 14a5 und
die sechste Leiterplatte 14a6 sind parallel zur Linsenfläche der
Objektivoptik 13 angeordnet. Die erste und die zweite Leiterplatte 14a1, 14a2 sind
in der gleichen Ebene angeordnet.
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Die
sechste Leiterplatte 14a6, die fünfte Leiterplatte 14a5,
die vierte Leiterplatte 14a4 und die erste Leiterplatte 14a1 sind
in dieser Reihenfolge von der Seite der Objektivoptik 13 her
angeordnet.
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Die
fünfte
und die sechste Leiterplatte 14a5, 14a6 sind an
der Trägereinheit 59 angebracht,
deren Durchmesser etwa 3,8 mm beträgt.
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Die
erste, die zweite und die vierte Leiterplatte 14a1, 14a2, 14a4 sind
in der Vergussbaugruppe 51 angeordnet.
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In
dem ersten Ausführungsbeispiel
sind die erste und die zweite Leiterplatte 14a1, 14a2 voneinander
getrennt. Sie können
jedoch auch auf einer einzigen Leiterplatte kombiniert sein.
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Die
Vergussbaugruppe 51 ist ein Behälter (Gehäuse), das ein Element, wie
z.B. das erste Prisma 15i1, das zur Übertragung des Videosignals
und des Steuersignals verwendet wird, einschließt und dieses beispielsweise
mittels eines Harzes vor der Außenluft
schützt.
Die Vergussbaugruppe 51 hat einen Körper 51a und ein Deckglasfenster 51b.
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Durch
das Fenster 51b tritt Licht, das für die optische Signalübertragung
aus dem Faserkern 50j1 des Lichtwellenleiterkabels 15j und
in diesen hinein bestimmt ist. Der Inhalt der Vergussbaugruppe 51 ist von
deren Körper 51a und
dem Deckglasfenster 51b bedeckt.
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Die
erste Leiterplatte 14a1, die zweite Leiterplatte 14a2,
die vierte Leiterplatte 14a4, der Videosignal-LD-Treiber 15d,
die Videosignal-Abstrahleinheit 15e, die erste Glasplatte 15f1,
die zweite Glasplatte 15f2, die erste Linse 15h1,
die zweite Glaslinse 15h2, das erste Prisma 15i1,
das zweite Prisma 15i2, die Kondensorlinse 15i3,
die Steuersignal-Lichtsensoreinheit 17b und der Steuersignal-Verstärker 17c sind
innerhalb der Vergussbaugruppe 51 angeordnet.
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Die
erste Leiterplatte 14a1 ist über mehrere nicht dargestellte
Kontakthöcker
elektrisch mit der vierten Leiterplatte 14a4 verbunden.
Die zweite Leiterplatte 14a2 ist über mehrere nicht dargestellte Kontakthöcker mit
der vierten Leiterplatte 14a4 elektrisch verbunden. Die
vierte Leiterplatte 14a4 ist über eine Zuleitung 74,
die durch den Körper 51a der
Vergussbaugruppe 51 geht, und eine flexible Leiterplatte 77,
die durch die Wärmestrahlungsplatte 57 geht,
mit der fünften
Leiterplatte 14a5 elektrisch verbunden.
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Die
Vergussbaugruppe 51 ist an einer Fläche angebracht, die von dem
Metallgehäuse 55 und
der Wärmestrahlungsplatte 57 umgeben
ist. Das Metallgehäuse 55 besteht
aus Flächen,
die parallel zur optischen Achse der Objektivoptik 13 angeordnet
sind, und umgibt die Seitenflächen
der Vergussbaugruppe 51.
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Die
Wärmestrahlungsplatte 57 hat
eine Abstrahlrippe, die aus der Ebene, in der sich die Wärmestrahlungsplatte 57 befindet
und die senkrecht zur optischen Achse der Objektivoptik 13 liegt,
in Richtung der optischen Achse der Objektivoptik zur Objektivoptik 13 hin überhängt. Die
Wärmestrahlungsplatte 57 strahlt
Wärme von
der Vergussbaugruppe 51 ab.
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Der
Körper 51a der
Vergussbaugruppe 51 ist über einen Klebstoff 75 an
der Wärmestrahlungsplatte 57 befestigt.
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Die
fünfte
Leiterplatte 14a5 ist über
Kontakthöcker 79 mit
der sechsten Leiterplatte 14a6 elektrisch verbunden.
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Das
Metallgehäuse 55,
die Wärmestrahlungsplatte 57,
die fünfte
Leiterplatte 14a5 und die sechste Leiterplatte 14a6 sind
an der Trägereinheit 59 angebracht.
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Beiderseits
der Objektivoptik 13 der Vergussbaugruppe 51 (auf
der Seite, die sich in Kontakt mit dem Lichtwellenleiterkabel 15j befindet)
ist das Positionierelement 53 angebracht. Das Positionierelement 53 steht
in Richtung der optischen Achse der Objektivoptik 13 von
der Vergussbaugruppe 51 zu dem Lichtwellenleiterkabel 15j hin über.
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Das
Positionierelement 53 ist so geformt, dass es das Lichtwellenleiterkabel 15j greift
und aufnimmt.
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Das
Lichtwellenleiterkabel 15j wird in die Trägereinheit 59 eingesetzt
und in Eingriff mit dem Positionierelement 53 gebracht,
während
letzteres an der Vergussbaugruppe 51 angebracht ist, so
dass die Verbindung zwischen dem Lichtwellenleiter 15j und
der Vergussbaugruppe 51 und die Positionierung des Strahlengangs
leicht vorgenommen werden können
(vergl. 3).
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Der
CMOS-Sensor 15a ist an der sechsten Leiterplatte 14a6 montiert.
Der CMOS-Sensor 15a besteht aus einer CMOS-Messspitze aus
Silizium und bildet das aufzunehmende Objekt durch die Objektivoptik 13 ab.
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Die
CDS-Schaltung 15b und der Hilfszeitgeber 17e1 sind
auf der sechsten Leiterplatte 14a6 montiert. Der CMOS-Sensor 15a,
die CDS-Schaltung 15b und der Hilfszeitgeber 17e1 werden
so im gleichen Fertigungsprozess montiert.
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Da
der CMOS-Sensor 15a eine genaue Auslesesteuerung benötigt, ist
der Hilfszeitgeber 17e1, der das Auslesen zeitlich steuert,
in der Nähe
des CMOS-Sensors 15a angeordnet. Dies erleichtert die zeitliche
Einstellung der Start- und Endpunkte des Auslesevorgangs.
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Da
zudem die Zwischenverbindungs- und Leitungsführungslängen klein gehalten werden
können,
werden eine Phasenverzögerung
sowie eine Vergrößerung der
Leiterplatte vermieden.
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Für den Fall,
dass in Zukunft der eingesetzte CMOS-Sensor 15a eine größere Zahl
an Pixeln aufweist, kann die Phasenverzögerung begrenzt und die Lesegeschwindigkeit
konstant gehalten werden, selbst wenn die Verarbeitungsgeschwindigkeit
zunimmt.
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Der
ADC 15c, der Steuersignal-PLL-Decodierer 17d,
der Hauptzeitgeber 17e2 und der Logik-IC 17z sind
auf der fünften
Leiterplatte 14a5 montiert.
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Der
Videosignal-LD-Treiber 15d und der Steuersignal-Verstärker 17c sind
auf der vierten Leiterplatte 14a4 montiert.
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Die
Videosignal-Abstrahleinheit 15e und die erste Glasplatte 15f1 sind
auf der ersten Leiterplatte 14a1 angeordnet und befinden
sich auf der der Objektivoptik 13 abgewandten Seite. Die
erste Leiterplatte 14a1 besteht aus einem GaAs-Leiterplattenmaterial
(Galliumarsenid).
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Die
zweite Glasplatte 15f2 und die Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b sind
auf der zweiten Leiterplatte 14a2 auf der der Objektivoptik 13 abgewandten
Seite angeordnet. Die zweite Leiterplatte 14a2 besteht
aus einem Silizium-Leiterplattenmaterial.
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Im
Folgenden wird ein Sendeteil nach erstem Ausführungsbeispiel beschrieben,
der der Übertragung
des optischen Signals dient.
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Die
erste Glasplatte 15f1 ist auf der ersten Leiterplatte 14a1 angeordnet
und bedeckt die Videosignal-Abstrahleinheit 15e. Die erste
Linse 15h1 ist auf der ersten Glasplatte 15f1 auf
der der Objektivoptik 13 abgewandten Seite angebracht.
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Die
zweite Glasplatte 15f2 ist auf der zweiten Leiterplatte 14a2 angeordnet
und bedeckt die Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b. Die
zweite Linse 15h2 ist auf der zweiten Glasplatte 15f2 auf
der der Objektivoptik 13 abgewandten Seite angeordnet.
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Die
erste Linse 15h1 bündelt
das Licht des von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgegebenen
Videosignals, wandelt das abgestrahlte Licht in paralleles Licht
und strahlt das bebündelte
parallele Licht an das erste Prisma 15i1 ab.
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Die
zweite Linse 15h2 bündelt
das Licht des von der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d abgegebenen
Steuersignals und strahlt das gebündelte Licht an die Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b ab.
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Die
Dicke der ersten Glasplatte 15f1 und der zweiten Glasplatte 15f2 parallel
zur optischen Achse der Objektivoptik 13 beträgt etwa
300 μm.
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Die
Dicke der ersten Glasplatte 15f1 und der zweiten Glasplatte 15f2 senkrecht
zur optischen Achse der Objektivoptik 13 beträgt etwa
500 μm.
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Die
erste Glasplatte 15f1 dient für die erste Linse 15h1 als
Positionierelement und Fokussierelement.
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Die
zweite Glasplatte 15f2 dient für die zweite Linse 15h2 als
Positionierelement und Fokussierelement.
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In
dem ersten Ausführungsbeispiel
ist die Wellenlänge
des von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgesendeten
Lichtes etwa auf 850 nm eingestellt. Wird jedoch diese Wellenlänge auf
etwa 990 nm eingestellt, so tritt das abgestrahlte Licht durch die
GaAs-Leiterplatte, ohne dass es eine Absorption durch diese erfährt. Das
die Glasplatte 15f1 bildende Glaselement kann demnach durch
eine GaAs-Leiterplatte ersetzt werden, die gleich der ersten Leiterplatte 14a1 ist.
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Das
erste Prisma 15i1 und das zweite Prisma 15i2 bilden
zusammen ein Mikroprisma. Das von der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d ausgesendete Steuersignal
wird an den Wänden
des zweiten Prismas 15i2 reflektiert und von diesen auf
die zweite Linse 15h2 ausgegeben.
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Das
von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgesendete Videosignal
tritt durch die Wände
der beiden Prismen 15i1 und 15i2 und wird von
dem zweiten Prisma 15i2 an ein Ende der Kernfaser 15j1 ausgegeben.
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Die
in der Betrachtungseinheit 10 vorgesehene Kondensorlinse 15i3 bündelt das
das Videosignal bildende Licht, das von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgesendet
und dann von der ersten Linse 15h1 in paralleles Licht
umgesetzt wird, und wandelt das das Steuersignal bildende Licht,
das von der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d ausgesendet und
dann von dem Faserkern 15j1 ausgegeben wird, in paralleles
Licht.
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In
dem ersten Ausführungsbeispiel
wandelt die erste Linse 15h1 das das Videosignal bildende Licht,
das von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgesendet
wird, in paralleles Licht, während
die Kondensorlinse 15i3 das das Steuersignal bildende Licht,
das von der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d ausgesendet
wird, in paralleles Licht wandelt.
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Diese
Umwandlung in paralleles Licht kann jedoch auch weggelassen werden
(vergl. 7). In diesem Fall wird das
das Videosignal bildende Licht, das von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgesendet
wird, ohne eine Umsetzung in paralleles Licht von der Kondensorlinse 15i3 gebündelt, während das
das Steuersignal bildende Licht, das von der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d ausgesendet
wird, ohne eine Umsetzung in paralleles Licht von der Kondensorlinse 15i3 gebündelt wird.
Die erste Linse 15h1 und die zweite Linse 15h2 sind
in diesem Fall nicht erforderlich.
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Zwischen
der ersten Glasplatte 15f1 und dem ersten Prisma 15i1 ist
ein nicht gezeigter Abstandshalter angeordnet, so dass der Abstand
zwischen der ersten Glasplatte 15f1 und dem ersten Prisma 15i1 parallel
zur optischen Achse der Objektivoptik 13 konstant gehalten
wird.
-
Zwischen
der zweiten Glasplatte 15f2 und dem zweiten Prisma 15i2 ist
ein nicht gezeigter Abstandshalter angeordnet, so dass der Abstand
zwischen der zweiten Glasplatte 15f2 und dem zweiten Prisma 15i2 parallel
zur optischen Achse der Objektivoptik konstant gehalten wird.
-
Die
Kondensorlinse 15i3 ist an dem zweiten Prisma 15i2 und
in dem Strahlengang des von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgesendeten
Lichtes angeordnet.
-
Das
erste Prisma 15i1 hat eine erste Fläche S1, die senkrecht zur optischen
Achse der Objektivoptik 13 liegt, eine zweite Fläche S2,
die senkrecht zur ersten Fläche
liegt, und eine dritte Fläche
S3, die die optische Achse der Objektivoptik 13 in einem Winkel
von 45° schneidet.
-
Die
erste Fläche
S1 des ersten Prismas 15i1 ist der ersten Linse 15h1 zugewandt.
-
Von
der Seite betrachtet hat das erste Prisma 15i1 die Form
eines gleichseitigen, rechtwinkligen Prismas, dessen schräge Seite
(Basis des Dreiecks) durch die dritte Fläche S3 gebildet ist.
-
Das
zweite Prisma 15i2 hat zwei Flächen, nämlich eine vierte Fläche S4 und
eine fünfte
Fläche S5,
die die optische Achse der Objektivoptik 13 in einem Winkel
von 45° schneiden,
sowie zwei Flächen, nämlich eine
sechste Fläche
S6 und eine siebente Fläche
S7, die senkrecht zur optischen Achse der Objektivoptik 13 liegen.
-
Die
vierte Fläche
S4 des zweiten Prismas 15i2 ist der dritten Fläche S3 des
ersten Prismas 15i1 zugewandt und befindet sich in Kontakt
mit dieser. Die sechste Fläche
S6 des zweiten Prismas 15i2 ist der zweiten Linse 15h2 zugewandt.
Die Kondensorlinse 15i3 ist an der siebenten Fläche S7 des
zweiten Prismas 15i2 angebracht.
-
Von
der Seite betrachtet, hat das zweite Prisma 15i2 die Form
eines Parallelogramms, das aus den vier vorstehend genannten Flächen, nämlich der vierten,
der fünften,
der sechsten und der siebenten Fläche, S4, S5, S6, S7, besteht.
-
Auf
die dritte Fläche
S3 des ersten Prismas 15i1 und/oder die vierte Fläche S4 des
zweiten Prismas 15i2 ist eine wellenlängenseparierende Beschichtung
aufgebracht.
-
Das
Licht, das von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgesendet
wird und dessen Wellenlänge
vergleichsweise lang ist (850 nm, vergl. gestrichelte Linie in 2),
wird an der dritten Fläche
S3 des ersten Prismas 15i1 und an der vierten Fläche S4 des
zweiten Prismas 15i2 nicht reflektiert und geht damit durch
diese Flächen
hindurch.
-
Das
Licht, das von der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d ausgesendet
wird und dessen Wellenlänge
vergleichsweise kurz ist (650 nm, vergl. gepunktete Linie in 2),
wird an der vierten Fläche S4
des zweiten Prismas 15i2 reflektiert.
-
Die
Dicke des ersten Prismas 15i1 und des zweiten Prismas 15i2 in
Richtung der optischen Achse der Objektivoptik 13 beträgt etwa
500 μm.
-
Das
wellenlängenseparierende
Prisma 37e umfasst ein erstes wellenlängenseparierendes Prisma 37e1 und
ein zweites wellenlängenseparierendes Prisma 37e2.
-
Das
erste wellenlängenseparierende
Prisma 37e1 hat eine erste Prismenfläche SR1, die senkrecht zur
optischen Achse der Objektivoptik 13 liegt, und eine zweite
Prismenfläche
SR2, die die optische Achse der Objektivoptik 13 in einem
Winkel von 45° schneidet.
-
Von
der Seite betrachtet hat das erste wellenlängenseparierende Prisma 37e1 die
Form eines gleichschenkligen, rechtwinkligen Dreiecks, dessen schräge Seite
(Basis des Dreiecks) durch die zweite Prismenflächen SR2 gebildet ist.
-
Entsprechend
hat das zweite wellenlängenseparierende
Prisma 37e2 eine dritte Prismenfläche SR3, die senkrecht zur
optischen Achse der Objektivoptik 13 liegt, und eine vierte
Prismenfläche
SR4, die die optische Achse der Objektivoptik 13 in einem Winkel
von 45° schneidet.
-
Von
der Seite betrachtet hat das zweite wellenlängenseparierende Prisma 37e2 die
Form eines gleichschenkligen, rechtwinkligen Dreiecks, dessen schräge Achse
(Basis des Dreiecks) durch die vierte Prismenfläche SR4 gebildet ist.
-
Die
zweite Prismenfläche
SR2 des ersten Prismas 37e1 ist in Kontakt mit der vierten
Prismenfläche
SR4 des zweiten Prismas 37e2. Die Kontaktfläche zwischen
der zweiten Prismenfläche
SR2 des ersten Prismas 37e1 und der vierten Prismenfläche SR4
ist mit einer Beschichtung, z.B. einem Anstrich, versehen, die das
Licht des von der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d ausgesendeten
Steuersignals, dessen Wellenlänge
kurz ist, durchlässt,
jedoch das Licht des von der Videosignal-Abstrahleinheit 15d ausgesendeten
Videosignals, dessen Wellenlänge
lang ist, reflektiert. Diese Beschichtung bildet also eine ein Wellenlängenband
separierende Beschichtung.
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Die
prozessorseitige Kondensorlinse 37f bündelt das Licht des Steuersignals,
das von der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d ausgegeben
wird und durch das wellenlängenseparierende
Prisma 37e tritt, auf das prozessorsei tige Ende des Lichtwellenleiterkabels 15j.
Außerdem
bündelt
es das Licht des Videosignals, das von dem prozessorseitigen Ende
des Lichtwellenleiterkabels 15j ausgesendet wird, durch
das Prisma 37e auf die Videosignal-Fotosensoreinheit 35a.
-
Durch
die Verwendung des ersten Prismas 15i1 und des zweiten
Prismas 15i2 werden in dem ersten Ausführungsbeispiel die Lichtausbreitungsrichtungen
separiert, so dass die Austrittsfläche der Videosignal-Abstrahleinheit 15e und
die Empfangsfläche
der Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b parallel
zueinander angeordnet sein können.
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Die
Separation des übertragenen
Lichtes erfolgt über
Brechung (Durchtritt des Videosignals) und Reflexion (Steuersignal).
Die Reflexion des Steuersignals erfolgt einmal an dem ersten Prisma 15i1 und dann
noch einmal an dem zweiten Prisma 15i2. Die Ausbreitungsrichtung
des das Steuersignal bildenden Lichtes, das der Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b zugeführt wird,
kann deshalb parallel zur Ausbreitungsrichtung des das Videosignal
bildenden und ohne Reflexion durchgehenden Lichtes sein.
-
Somit
können
die Videosignal-Abstrahleinheit 15e und die Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b auf
Leiterplatten (erste und zweite Leiterplatte 14a1, 14a2)
montiert sein, die in der gleichen Ebene liegen. Dies bedeutet,
dass die Austrittsfläche
der Videosignal-Abstrahleinheit 15e und die Empfangsfläche der Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b parallel
zueinander liegen können.
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Die
Einrichtung, die für
die elektrische Betrachtungseinheit 10 Licht sendet und
Licht empfängt,
kann so kleiner gebaut sein als die Einrichtung, die für den Prozessor 30 Licht
sendet und Licht empfängt,
in dem die Fotosensoreinheit senkrecht zur Abstrahleinheit angeordnet
ist. Durch die Verwendung des Prismas und der Kondensorlinse liegen
nämlich in
dem Prozessor 30 die beiden vorstehend genannten Einheiten
in zueinander senkrechten Ebenen.
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Insbesondere
kann die Abmessung in der zur optischen Achse der Objektivoptik 13 parallelen Tiefenrichtung
verkürzt
werden.
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Wird
ein einziges Kabel gemeinsam genutzt, um Licht von dem Prozessor 30 an
die Betrachtungseinheit 10 und umgekehrt von der Betrachtungseinheit 10 zu
dem Prozessor 30 zu übertragen,
so ist eine Einrichtung erforderlich, welches das Lichtsignal, das
sich in einer Richtung ausbreitet (Videosignal), von dem Lichtsignal
trennt, das sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitet (Steuersignal).
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Da
in der Betrachtungseinheit 10 nur wenig Raum zur Verfügung steht,
wird in dem ersten Ausführungsbeispiel
das Mikroprisma eingesetzt, um die Lichtsignale so voneinander zu
trennen, dass die Abstrahleinheit und die Fotosensoreinheit in der
gleichen Ebene angeordnet werden können. Da demgegenüber in dem
Prozessor 30 vergleichsweise viel Raum zur Verfügung steht,
wird das Prisma verwendet, um die Lichtsignale so voneinander zu
trennen, dass die Abstrahleinheit und die Fotosensoreinheit senkrecht
zueinander in zwei zueinander senkrechten Ebenen angeordnet werden
können.
Die zum Senden des Lichtes bestimmten Komponenten und die zum Empfangen
des Lichtes bestimmten Komponenten können somit in Abhängigkeit
des verfügbaren
Raums geeignet angeordnet werden.
-
Der
distale Endteil der elektrischen Betrachtungseinheit 10 hat
einen Durchmesser von etwa 10 mm. Berücksichtigt man, dass in der
Betrachtungseinheit 10 zudem eine Düse, der Lichtleiter 11a und eine
Instrumentenöffnung
unterzubringen sind, so sollte der Teil, in dem die Abbildungseinheit 15,
auf der unter anderem der CMOS-Sensor 15a montiert ist,
enthalten ist, geeignet so geformt und bemessen werden, dass dieser
Teil nicht über
die Objektivoptik 13 herausragt, die etwa einen Durchmesser
von 4 mm hat.
-
Fungiert
der CMOS-Sensor als Abbildungssensor, so müssen Peripherieschaltungen,
wie z.B. die CDS-Schaltung 15b, in der Nähe des CMOS-Sensors montiert
werden. Nun ist in diesem Ausführungsbeispiel
die Leiterplatte, die diese Peripherieschaltungen hält, senkrecht
zur optischen Achse der Objektivoptik ausgerichtet. Die Peripherieschaltungen
müssen
demnach so angeordnet sein, dass der die Abbildungseinheit 15 enthaltende Teil
nicht über
den Linsendurchmesser der Objektivoptik 13 hinausreicht.
Der Durchmesser der Leiterträgereinheit 59 beträgt etwa
3,8 mm.
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Im
Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel
beschrieben. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel empfängt die
Abbildungseinheit 15 in dem zweiten Ausführungsbeispiel
Licht, das von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgesendet
wird, worauf die Menge an abgestrahltem Licht in Abhängigkeit
der Menge an empfangenem Licht eingestellt wird. Die Punkte, in
denen sich das zweite Ausführungsbeispiel
von dem ersten Ausführungsbeispiel
unterscheidet, werden im Folgenden genauer erläutert.
-
Die
Beleuchtungseinheit 10 hat einen Lichtleiter 11a und
eine Beleuchtungslinse 11b.
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Die
Abbildungseinheit 15 hat einen CMOS-Sensor 15a,
eine Schaltung zur korrelierten Doppelabtastung, kurz CDS-Schaltung, 15b,
einen Analog-Digital-Wandler,
kurz ADC, 15c, einen Videosignal-LD-Treiber 15d,
eine Videosignal-Abstrahleinheit 15e, z.B. in Form eines
VCSEL-Lasers, d.h. eines Halbleiterlasers, bei dem das Licht senkrecht
zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird, eine erste Glasplatte 15f1,
eine zweite Glasplatte 15f2, eine dritte Glasplatte 15f3,
eine erste Linse 15h1, eine zweite Linse 15h2,
eine dritte Linse 15h3, ein erstes Prisma 15i1,
ein zweites Prisma 15i2, eine Kondensorlinse 15i3,
eine zweite Videosignal-Fotosensoreinheit 15k,
z.B. in Form einer Fotodiode, kurz PD, einen Videosignal-Verstärker 15m,
ein Lichtwellenleiterkabel 15j, eine Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b,
z.B. in Form einer Fotodiode, kurz PD, einen Steuersignal-Verstärker 17c,
einen Steuersignal-PLL-Decodierer 17d, einen Zeitgeber 17e,
einen logischen Schaltkreis, kurz Logik-IC, 17z, ein Stromversorgungskabel 19a sowie
eine Stromversorgungseinheit 19b.
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Der
Zeitgeber 17e hat einen Hilfszeitgeber 17e1 und
einen Hauptzeitgeber 17e2 (vergl. 4).
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Die Übertragung
des Bildsignals von dem ADC 15c der elektrischen Betrachtungseinheit 10 an die
DSP-Schaltung 35c des Prozessors 30 erfolgt über Licht.
Dabei wird das Bildsignal von dem ADC in ein digitales Signal gewandelt.
Dieses parallele digitale Signal wird dann von dem Logik-IC 17z in
ein serielles Signal und dann von dem Videosignal-LD-Treiber 15b in
ein EIN/AUS-Lichtsignal gewandelt, wobei dieses EIN/AUS-Lichtsignal
an der impulsbetriebenen Videosignal-Abstrahleinheit 15e auf-
und ableuchtet.
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Nahezu
der gesamte Teil des EIN/AUS-Lichtsignals (etwa 90%) läuft dann
durch die erste Glasplatte 15f1, die erste Linse 15h1,
das erste Prisma 15i1, das zweite Prisma 15i2,
die Kondensorlinse 15i3, das Lichtwellenleiterkabel 15j,
die Kondensorlinse 37f und das wellenlängenseparierende Prisma 37e,
bevor er von der Videosignal-Fotosensoreinheit 35a empfangen
und verstärkt
wird. Das Signal wird dann von dem Videosignal-PLL-Decodierer decodiert,
worauf dieses decodierte Signal von der DSP-Schaltung 35c einer
Signalverarbeitung unterzogen wird.
-
Ein
Teil des EIN/AUS-Lichtsignals (etwa 10%) läuft dann durch die erste Glasplatte 15f1,
die erste Linse 15h1, das erste Prisma 15i1, die
dritte Linse 15h3 und die dritte Glasplatte 15f3,
bevor er von der zweiten Videosignal-Fotosensoreinheit 15k empfangen
und von dem Videosignal-Verstärker 15m verstärkt wird.
Anhand dieses verstärkten
Signals wird die Lichtmenge berechnet, die von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e abgegeben
wird. Auf Grundlage dieser Berechnung wird die Lichtmenge, die von
der Videosignal-Abstrahleinheit 15e abgegeben wird, so
eingestellt, dass die Menge an abgestrahltem Licht innerhalb eines
tolerierbaren Bereichs liegt. Die Berechnung zur Einstellung der Lichtmenge
wird von dem Videosignal-LD-Treiber 15d durchgeführt, der
das von dem Videosignal-Verstärker 15m ausgegebene
Signal empfängt.
-
Die
Abbildungseinheit 15 hat eine erste Leiterplatte 14a1,
eine zweite Leiterplatte 14a2, eine dritte Leiterplatte 14a3,
eine vierte Leiterplatte 14a4, eine fünfte Leiterplatte 14a5,
eine sechste Leiterplatte 14a6, eine Vergussbaugruppe 51,
ein Positionierelement 53, ein Metallgehäuse 55,
eine Wärmestrahlungsplatte 57 und
eine der Montage dienende Plattenträgereinheit 59.
-
Die
erste Leiterplatte 14a1, die zweite Leiterplatte 14a2,
die dritte Leiterplatte 14a3, die vierte Leiterplatte 14a4,
die fünfte
Leiterplatte 14a5 und die sechste Leiterplatte 14a6 sind
parallel zur Linsenfläche
der Objektivoptik 13 angeordnet. Die erste, die zweite
und die dritte Leiterplatte 14a1, 14a2, 14a3 sind
in der gleiche Ebene angeordnet.
-
Die
sechste Leiterplatte 14a6, die fünfte Leiterplatte 14a5,
die vierte Leiterplatte 14a4 und die erste Leiterplatte 14a1 sind
in dieser Reihenfolge von der Seite der Objektivoptik 13 her
angeordnet.
-
Die
fünfte
und die sechste Leiterplatte 14a5, 14a6 sind an
der Trägereinheit 59 angebracht,
deren Durchmesser etwa 3,8 mm beträgt.
-
Die
erste, die zweite, die dritte und die vierte Leiterplatte 14a1, 14a2, 14a3, 14a4 sind
an der Vergussbaugruppe 51 angebracht.
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In
dem zweiten Ausführungsbeispiel
sind die erste, die zweite und die dritte Leiterplatte 14a1, 14a2, 14a3 voneinander
getrennt. Sie können
jedoch auch auf einer einzigen Leiterplatte kombiniert sein.
-
Die
erste Leiterplatte 14a1, die zweite Leiterplatte 14a2,
die dritte Leiterplatte 14a3, die vierte Leiterplatte 14a4,
der Videosignal-LD-Treiber 15d, die Videosignal-Abstrahleinheit 15e,
die erste Glasplatte 15f1, die zweite Glasplatte 15f2,
die dritte Glasplatte 15f3, die erste Linse 15h1,
die zweite Glaslinse 15h2, die dritte Linse 15h3,
das erste Prisma 15i1, das zweite Prisma 15i2,
die Kondensorlinse 15i3, die zweite Videosignal-Fotosensoreinheit 15k,
der Videosignal-Verstärker 15m,
die Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b und
der Steuersignal-Verstärker 17c sind
innerhalb der Vergussbaugruppe 51 angeordnet.
-
Die
erste Leiterplatte 14a1 ist über mehrere nicht gezeigte
Kontakthöcker
mit der vierten Leiterplatte 14a4 elektrisch verbunden.
Die zweite Leiterplatte 14a2 ist über mehrere nicht gezeigte
Kontakthöcker
mit der vierten Leiterplatte 14a4 elektrisch verbunden.
Die dritte Leiterplatte 14a3 ist über mehrere nicht gezeigte
Kontakthöcker
mit der vierten Leiterplatte 14a4 elektrisch verbunden.
Die vierte Leiterplatte 14a4 ist über eine Zuleitung 74,
die durch den Körper 51a der
Vergussbaugruppe 51 geht, und eine flexible Leiterplatte 77,
die durch die Wärmestrahlungsplatte 57 geht,
mit der fünften
Leiterplatte 14a5 elektrisch verbunden.
-
Der
Videosignal-LD-Treiber 15d, der Videosignal-Verstärker 15m und
der Steuersignal-Verstärker 17c sind
auf der vierten Leiterplatte 14a4 montiert.
-
Die
Videosignal-Abstrahleinheit 15e und die erste Glasplatte 15f1 sind
auf der ersten Leiterplatte 14a1 auf der der Objektivoptik 13 abgewandten
Seite angeordnet. Die erste Leiterplatte 14a1 besteht aus einem
GaAs-Leiterplattenmaterial
(Galliumarsenid).
-
Die
zweite Glasplatte 15f2 und die Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b sind
auf der zweiten Leiterplatte 14a2 auf der der Objektivoptik 13 abgewandten
Seite angeordnet.
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Die
dritte Glasplatte 15f3 und die zweite Videosignal-Fotosensoreinheit 15k sind
auf der dritten Leiterplatte 14a3 auf der der Objektivoptik 13 abgewandten
Seite angeordnet.
-
Die
erste Glasplatte 15f1 ist auf der ersten Leiterplatte 14a1 angeordnet
und bedeckt die Videosignal-Abstrahleinheit 15e. Die erste
Linse 15h1 ist an der ersten Glasplatte 15f1 auf
der der Objektivoptik 13 abgewandten Seite angebracht.
-
Die
zweite Glasplatte 15f2 ist auf der zweiten Leiterplatte 14a2 angeordnet
und bedeckt die Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b. Die
zweite Linse 15h2 ist an der zweiten Glasplatte 15f2 auf
der der Objektivoptik 13 abgewandten Seite angebracht.
-
Die
dritte Glasplatte 15f3 ist auf der dritten Leiterplatte 14a3 angeordnet
und bedeckt die zweite Videosignal-Fotosensoreinheit 15k.
Die dritte Linse 15h3 ist an der dritten Glasplatte 15f3 auf
der der Objektivoptik 13 abgewandten Seite angeordnet.
-
Die
erste Linse 15h1 bündelt
das Licht des von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgegebenen
Videosignals, wandelt das abgestrahlte Licht in paralleles Licht
und strahlt dann das gebündelte,
parallele Licht auf das erste Prisma 15i1 ab.
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Die
zweite Linse 15h2 bündelt
das Licht des von der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d ausgegebenen
Bildsignals und strahlt dann dieses gebündelte Licht auf die Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b ab.
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Die
dritte Linse 15h3 bündelt
den Teil des Lichtes, den sie von dem von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgegebenen
Videosignal empfängt,
und strahlt dann dieses gebündelte
Licht auf die zweite Videosignal-Fotosensoreinheit 15k ab.
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Die
erste Glasplatte 15f1, die zweite Glasplatte 15f2 und
die dritte Glasplatte 15f3 haben jeweils parallel zur optischen
Achse der Objektivoptik 13 eine Dicke von etwa 300 μm.
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Die
erste Glasplatte 15f1, die zweite Glasplatte 15f2 und
die dritte Glasplatte 15f3 haben senkrecht zur optischen
Achse der Objektivoptik jeweils eine Dicke von etwa 500 μm.
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Die
erste Glasplatte 15f1 dient für die erste Linse 15h1 als
Positionierelement und Fokussierelement.
-
Die
zweite Glasplatte 15f2 dient für die zweite Linse 15h2 als
Positionierelement und Fokussierelement.
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Die
dritte Glasplatte 15f3 dient für die dritte Linse 15h3 als
Positionierelement und Fokussierelement.
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Das
erste Prisma 15i1 und das zweite Prisma 15i2 bilden
zusammen ein Mikroprisma. Das von der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d ausgesendete Steuersignal
wird an den Wänden
des zweiten Prismas 15i2 reflektiert und von letzterem
auf die zweite Linse 15h2 ausgegeben.
-
Nahezu
der gesamte Teil des Videosignals (etwa 90%), das von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgesendet
wird, geht durch die Wände
des ersten und zweiten Prismas 15i2, 15i2 und
wird von dem zweiten Prisma 15i2 an ein Ende des Faserkerns 15j1 ausgegeben.
-
Ein
Teil des von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgesendeten
Videosignals (etwa 10%) wird an dem ersten Prisma 15i1 reflektiert
und von diesem an die dritte Linse 15h3 ausgegeben.
-
Zwischen
der ersten Glasplatte 15f1 und dem ersten Prisma 15i1 ist
ein nicht gezeigter Abstandshalter angeordnet, so dass der Abstand
zwischen der ersten Glasplatte 15f1 und dem ersten Prisma 15i1 parallel
zur optischen Achse der Objektivoptik 13 konstant gehalten
wird.
-
Zwischen
der zweiten Glasplatte 15f2 und dem zweiten Prisma 15i2 ist
ein nicht gezeigter Abstandshalter angeordnet, so dass der Abstand
zwischen der zweiten Glasplatte 15f2 und dem zweiten Prisma 15i2 parallel
zur optischen Achse der Objektivoptik 13 konstant gehalten
wird.
-
Zwischen
der dritten Glasplatte 15f3 und dem ersten Prisma 15i1 ist
ein nicht gezeigter Abstandshalter angeordnet, so dass der Abstand
zwischen der dritten Glasplatte 15f3 und dem ersten Prisma 15i1 parallel
zur optischen Achse der Objektivoptik 13 konstant gehalten
wird.
-
Die
Kondensorlinse 15i3 ist auf dem zweiten Prisma 15i2 und
in dem Strahlengang des von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgesendeten
Lichtes angeordnet.
-
Das
erste Prisma 15i1 hat eine erste Fläche S1, die senkrecht zur optischen
Achse der Objektivoptik 13 angeordnet ist, eine zweite
Fläche
S2, die die optische Achse der Objektivoptik 13 in einem Winkel
von –45° schneidet,
und eine dritte Fläche,
die die optische Achse der Objektivoptik 13 in einem Winkel
von 45° schneidet
und senkrecht zur zweiten Fläche
S2 angeordnet ist.
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Die
erste Fläche
S1 des ersten Prismas 15i1 ist der ersten Linse 15h1 und
der dritten Linse 15h3 zugeordnet.
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Von
der Seite betrachtet hat das erste Prisma 15i1 die Form
eines gleichschenkligen, rechtwinkligen Dreiecks, dessen schräge Seite
(Basis des Dreiecks) durch die erste Fläche S1 gebildet ist.
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Das
zweite Prisma 15i2 hat zwei Flächen, nämlich eine vierte Fläche S4 und
eine fünfte
Fläche S5,
die die optische Achse der Objektivoptik 13 in einem Winkel
von 45° schneiden,
sowie zwei Flächen, nämlich eine
sechste Fläche
S6 und eine siebente Fläche
S7, die senkrecht zur optischen Achse der Objektivoptik 13 angeordnet
sind.
-
Die
vierte Fläche
S4 des zweiten Prismas 15i2 ist der dritten Fläche S3 des
ersten Prismas 15i1 zugewandt und befindet sich in Kontakt
mit dieser. Die sechste Fläche
S6 des zweiten Prismas 15i2 ist der zweiten Linse 15h2 zugewandt.
Die Kondensorlinse 15i3 ist an der siebenten Fläche S7 des
zweiten Prismas 15i2 angebracht.
-
Von
der Seite betrachtet hat das zweite Prisma 15i2 die Form
eines Parallelogramms, das aus den vier vorstehend genannten Flächen besteht, nämlich der
vierten, der fünften,
der sechsten und der siebenten Fläche S4, S5, S6, S7.
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Zumindest
an einer der Flächen
S3 des ersten Prismas 15i1 und der Fläche S4 des zweiten Prismas 15i2 sind
eine wellenlängenseparierende
Beschichtung sowie eine einen halbdurchlässigen Spiegel bildende Beschichtung
aufgebracht.
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Nahezu
das gesamte Licht, das von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgesendet
wird und dessen Wellenlänge
vergleichsweise lang ist (850 nm, vergl. die gestrichelte Linie
in 2), wird an der dritten Fläche S3 des ersten Prismas 15i1 und
der vierten Fläche
S4 des zweiten Prismas 15i2 nicht reflektiert und geht
damit durch diese Flächen
hindurch.
-
Ein
Teil des Lichtes, das von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgesendet
wird und dessen Wellenlänge
vergleichsweise lang ist (850 nm, vergl. gestrichelte Linie in 2),
wird an der dritten Fläche
S3 des ersten Prismas 15i1 reflektiert.
-
Das
von der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d ausgesendete Licht,
dessen Wellenlänge
vergleichsweise kurz ist (650 nm, vergl. die gepunktete Linie in 2),
wird an der vierten Seitenfläche
S4 des zweiten Prismas 15i2 reflektiert.
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Das
erste Prisma 15i1 und das zweite Prisma 15i2 haben
in Richtung der optischen Achse der Objektivoptik 13 jeweils
eine Dicke von etwa 500 μm.
-
Der übrige Aufbau
des zweiten Ausführungsbeispiels
ist gleich dem des ersten Ausführungsbeispiels.
Da in dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Pegel der von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e abgegebenen
Lichtmenge auf die zweite Videosignal-Fotosensoreinheit 15k zurückgeführt und
eingestellt wird, kann die abgegebene Lichtmenge konstant gehalten
werden, selbst wenn die Lichtmenge mit der Zeit oder infolge von
Temperaturschwankungen variiert, insbesondere abnimmt.
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Das
zweite Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel durch die zusätzliche
zweite Videosignal-Fotosensoreinheit 15k. Durch eine Änderung
der Form des ersten Prismas 15i1 und der Beschichtung der
dritten Fläche
S3 des ersten Prismas 15i1 können die Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b und
die zweite Videosignal-Fotosensoreinheit 15k auf Leiterplatten,
nämlich
der ersten und der zweiten Leiterplatte 14a1, 14a2,
montiert werden, die in der gleiche Ebene angeordnet sind. Somit
können
die Austrittsfläche
der Videosignal-Abstrahleinheit 15e,
die Empfangsfläche
der Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b und die Empfangsfläche der
zweiten Videosignal-Fotosensoreinheit 15k parallel gehalten
werden.
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Die
Einrichtung, die für
den elektrischen Betrachtungsteil 10 Licht sendet und Licht
empfängt, kann
so kleiner gehalten werden als die Einrichtung, die für den Prozessor 30 Licht
sendet und Licht empfängt,
in dem die Fotosensoreinheit durch die Verwendung des Prismas und
der Kondensorlinse senkrecht zur Abstrahleinheit angeordnet ist
und damit die beiden vorstehend genannten Einheiten in zueinander
senkrechten Ebenen liegen.
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Insbesondere
kann die Tiefe parallel zur optischen Achse der Objektivoptik 13 verringert
werden.
-
Der
distale Endteil der Betrachtungseinheit 10 hat einen Durchmesser
von etwa 10 mm. Berücksichtigt
man, dass in der Betrachtungseinheit eine Düse, der Lichtleiter 11a und
eine Instrumentenöffnung
unterzubringen sind, so sollte der Teil, der die Abbildungseinheit 15 enthält, auf
der unter anderem der CMOS-Sensor 15a montiert ist, eine
geeignete Form und Größe derart
aufweisen, dass er nicht über die
Objektivoptik 13 hinausragt, die einen Durchmesser von
etwa 4 mm hat.
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Fungiert
der CMOS-Sensor als Abbildungssensor, so müssen die Peripherieschaltungen,
z.B. die CDS-Schaltung 15b, in der Nähe des CMOS-Sensors montiert
werden. In dem ersten Ausführungsbeispiel
ist die Leiterplatte, die diese Peripherieschaltungen hält, senkrecht
zur optischen Achse der Objektivoptik 13 ausgerichtet.
Die Peripherieschaltungen müssen
deshalb ungeachtet dessen, dass zusätzlich die zweite Videosignal-Fotosensoreinheit 15k vorgesehen
ist, so angeordnet werden, dass der Teil, in dem die Abbildungseinheit 15 untergebracht
ist, nicht über
den Linsendurchmesser der Objektivoptik 13 hinausreicht.
Der Durchmesser der Trägereinheit 59 beträgt etwa
3,8 mm.
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Im
Folgenden wird ein drittes Ausführungsbeispiel
beschrieben. In dem ersten Ausführungsbeispiel
wird zur Lichttrennung das Prisma verwendet. Dagegen wird in dem
dritten Ausführungsbeispiel
zur Lichttrennung eine Beugungsvorrichtung, z.B. ein Beugungsgitter,
verwendet. Die Punkte, in denen sich das dritte Ausführungsbeispiel
von dem ersten Ausführungsbeispiel
unterscheidet, werden im Folgenden im Einzelnen beschrieben.
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Die
Beleuchtungseinheit 11 hat einen Lichtleiter 11a und
eine Beleuchtungslinse 11b.
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Die
Abbildungseinheit 15 hat einen CMOS-Sensor 15a,
eine Schaltung zur korrelierten Doppelabtastung, kurz CDS-Schaltung, 15b,
einen Analog-Digital-Wandler,
kurz ADC, 15c, einen Videosignal-LD-Treiber 15d,
eine Videosignal-Abstrahleinheit 15e, z.B. in Form eines
VCSEL-Lasers, eine Glasplatte 15f, eine Linse 15h,
ein Lichtwellenleiterkabel 15j, eine erste und eine zweite
Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b1, 17b2, z.B.
in Form von Fotodioden, einen ersten und einen zweiten Steuersignal-Verstärker 17c1, 17c2,
einen Steuersignal-PLL-Decodierer 17d, einen Zeitgeber 17e,
einen Logik-IC 17z, ein Stromversorgungskabel 19a und eine
Stromversorgungseinheit 19b.
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Der
Zeitgeber 17e hat einen Hilfszeitgeber 17e1 und
einen Hauptzeitgeber 17e2 (vergl. 5).
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Die Übertragung
des Bildsignals von dem ADC 15c der Betrachtungseinheit 10 an
die DSP-Schaltung 35c des Prozessors 30 erfolgt über Licht.
Dabei wird das Bildsignal von dem ADC 15c in ein digitales
Signal gewandelt. Anschließend
wird dieses digitale, parallele Signal von dem Logik-IC 17z in
ein serielles Signal und dann von dem Videosignal-LD-Treiber 15d in
ein EIN/AUS-Lichtsignal gewandelt, wobei dieses EIN/AUS-Lichtsignal
an der impulsbetriebenen Videosignal-Abstrahleinheit 15e auf-
und ableuchtet.
-
Das
EIN/AUS-Lichtsignal läuft
dann durch die Glasplatte 15f, die Linse 15h,
die Beugungsgitterplatte 51c, das Lichtwellenleiterkabel 15j,
die prozessorseitige Kondensorlinse 37f und das wellenlängenseparierende
Prisma 37e, bevor es von der ersten Videosignal-Fotosensoreinheit 35a empfangen
und verstärkt
wird.
-
Dann
wird das Signal von dem Videosignal-PLL-Decodierer 35b decodiert,
worauf dieses decodierte Signal einer Bildsignalverarbeitung unterzogen
wird, die die DSP-Schaltung 35c durchführt.
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Der
Synchronisationssignalgenerator 37b erzeugt unter der Steuerung
der CPU 37a ein Impulssignal als Synchronisationssignal.
Das Synchronisationssignal wird in Abhängigkeit der Impulse des Steuersignal-LD-Treibers 37c in
das EIN/AUS-Lichtsignal gewandelt. Das EIN/AUS-Lichtsignal leuchtet an der impulsgesteuerten
Steuersignal-Abstrahleinheit 37d auf und ab.
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Das
EIN/AUS-Lichtsignal läuft
durch das wellenlängenseparierende
Prisma 37e, die prozessorseitige Kondensorlinse 37f,
das Lichtwellenleiterkabel 15j, die Beugungsgitterplatte 51c,
die Linse 15h und die Glasplatte 15f, bevor es
von der ersten und der zweiten Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b1, 17b2 mit
ihren Fotodioden empfangen wird. Die EIN/AUS-Lichtsignale werden
dann von dem ersten und dem zweiten Steuersignal-Verstärker 17c1, 17c2 verstärkt. Diese
verstärkten
Signale werden addiert, und das so erzeugte Mischsignal wird von
dem Steuersignal-PLL-Decodierer 17d decodiert.
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Das
Lichtwellenleiterkabel 15j hat einen Faserkern 15j1 und
eine Schutzhülse 15j2.
Der Durchmesser des Faserkerns beträgt etwa 200 μm. Der Durchmesser
der Schutzhülse 15j2,
die den Faserkern 15j1 umgibt, beträgt etwa 1,25 mm.
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Ein
Ende des Faserkerns 15j1 ist der Videosignal-Abstrahleinheit 15e zugewandt
und blickt dabei gleichsam durch die Beugungsgitterplatte 51c, die
Linse 15h und die Glasplatte 15f.
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Wie
in 6 gezeigt, schneidet eine erste schräge Linie
L1, die zwischen dem Mittelpunkt der Fläche der Beugungsgitterplatte 51c,
durch die das Videosignal tritt, und dem Mittelpunkt der Empfangsfläche der
das Steuersignal empfangenden Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b1 verläuft, unter
einem positiven primären
(d.h. ersten) Beugungswinkel + Θ eine
horizontale Linie LH, die zwischen dem Mittelpunkt der Fläche der
Beugungsgitterplatte 51c, durch die das Videosignal tritt,
und dem Mittelpunkt der Austrittsfläche der Videosignal-Abstrahleinheit 15e verläuft.
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Von
der Seite betrachtet schneidet eine zweite schräge Linie L2, die zwischen dem
Mittelpunkt der Fläche
der Beugungsgitterplatte 51c, durch die das Videosignal
geht, und dem Mittelpunkt der Empfangsfläche der das Steuersignal empfangenden zweiten
Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b2 verläuft, die
horizontale Linie LH unter einem negativen primären (d.h. ersten) Beugungswinkel –Θ.
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Das
andere Ende des Faserkerns 15j1 ist der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d zugewandt
und blickt dabei gleichsam durch die prozessorseitige Kondensorlinse 37f und
das wellenlängenseparierende
Prisma 37e.
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Durch
den Faserkern 15j1 wird das Steuersignal von dem Prozessor 30 an
die Betrachtungseinheit 10 und das Videosignal von der
Betrachtungseinheit 10 an den Prozessor 30 gesendet.
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Für das dritte
Ausführungsbeispiel
wird im Folgenden der Montageteil für den CMOS-Sensor 15a etc.
anhand von 5 beschrieben. Der die Stromversorgung
betreffende Teil ist in 5 weggelassen.
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Die
Abbildungseinheit 15 hat eine erste Leiterplatte 14a1,
eine zweite Leiterplatte 14a2, eine dritte Leiterplatte 14a3,
eine vierte Leiterplatte 14a4, eine fünfte Leiterplatte 14a5,
eine sechste Leiterplatte 14a6, eine Vergussbaugruppe 51,
ein Positionierelement 53, eine Wärmestrahlungsplatte 57 und
eine Plattenträgereinheit 59,
die zur Montage bestimmt ist.
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Die
erste Leiterplatte 14a1, die zweite Leiterplatte 14a2,
die dritte Leiterplatte 14a3, die vierte Leiterplatte 14a4,
die fünfte
Leiterplatte 14a5 und die sechste Leiterplatte 14a6 sind
parallel zur Linsenfläche
der Objektivoptik angeordnet. Die erste, die zweite und die dritte
Leiterplatte 14a1, 14a2, 14a3 sind in der
gleichen Ebene angeordnet.
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Die
sechste Leiterplatte 14a6, die fünfte Leiterplatte 14a5,
die vierte Leiterplatte 14a4 und die erste Leiterplatte 14a1 sind
in dieser Reihenfolge von der Seite der Objektivoptik 13 her
angeordnet.
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Die
fünfte
und die sechste Leiterplatte 14a5, 14a6 sind an
der Trägereinheit 59 angebracht,
deren Durchmesser etwa 3,8 mm beträgt.
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Die
erste, die zweite, die dritte und die vierte Leiterplatte 14a1, 14a2, 14a3, 14a4 sind
an der Vergussbaugruppe 51 angebracht.
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In
dem dritten Ausführungsbeispiel
sind die erste, die zweite und die dritte Leiterplatte 14a1, 14a2, 14a3 getrennt
voneinander vorgesehen.
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Jedoch
können
diese Leiterplatten auch auf einer einzigen Leiterplatte kombiniert
sein.
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Die
Vergussbaugruppe 51 ist ein Behälter (Gehäuse), der ein Element, das
zur Übertragung des
Videosignals und des Steuersignals genutzt wird, z.B. die Glasplatte 15f etc.,
einschließt
und dieses Element mittels eines Harzes vor der Außenluft schützt. Die
Vergussbaugruppe 51 hat einen Körper 51a und eine
Beugungsgitterplatte 51c.
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Die
Beugungsgitterplatte 51c hat ein Fenster, das die Beugungsfläche vor
Schmutz und Bruch schützt.
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Das
von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgegebene Licht
gelangt als Beugungslicht 0-ter Ordnung durch die Beugungsgitterplatte 51c hindurch
zu dem Faserkern 15j1.
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Das
von der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d tritt durch die
Beugungsgitterplatte 51c hindurch und wird als Beugungslicht
erster Ordnung unter dem Winkel ±Θ, der auf die erste Beugungsordnung
bezogen ist, gleichsam zu der ersten und der zweiten Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b1, 17b2 hin
gebrochen.
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Wie
in 6 gezeigt, ist der Beugungswinkel erster Ordnung
festgelegt durch die Gitterrasterteilung p und die Beugungstiefe,
d.h. die Stufenhöhe
d der Beugungsgitterplatte 51c sowie der Wellenlänge λ (= 650 nm)
des einfallenden Lichtes, welches das Steuersignal darstellt (Θ = sin–1(m·λ/p)). Der
Parameter m gibt die Beugungsordnung an, die in diesem Fall gleich
1 ist.
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Die
Positionsbeziehung, insbesondere die Lageabweichung, zwischen der
Videosignal-Abstrahleinheit 15e und der ersten und der
zweiten Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b1, 17b2,
kann so über
eine Einstellung der Parameter, die den ersten Beugungswinkel Θ festlegen,
z.B. die Gitterrasterteilung p des Beugungsgitters, eingestellt
werden.
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Der
Abstand zwischen dem Mittelpunkt der ersten Leiterplatte 14a1 und
dem Mittelpunkt der zweiten Leiterplatte 14a2 kann so verringert
werden. Damit kann die Vergussbaugruppe 51 kleiner als
in dem ersten Ausführungsbeispiel
ausgebildet werden.
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Ist
beispielsweise die Gitterrasterteilung p gleich 2,6 μm, so beträgt der Beugungswinkel Θ erster
Ordnung etwa 14,5° und
der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der ersten Leiterplatte 14a1 und
dem Mittelpunkt der zweiten Leiterplatte 14a2 etwa 130 μm.
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Indem
der Durchmesser der Vergussbaugruppe 51 verringert wird,
kann er in dem dritten Ausführungsbeispiel
dem Durchmesser des Lichtwellenleiterkabels 15j (= 1,25
mm) angepasst werden.
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Arbeitet
die Beugungsgitterplatte 51c mit einem rechtwinklig strukturierten
Beugungsgitter verwendet, so ist die maximale Beugungswirkung des Beugungslichtes
erster Ordnung kleiner als die maximale Beugungswirkung des Beugungslichtes
0-ter Ordnung (kleiner als 40% der Beugungswirkung des Beugungslichtes
0-ter Ordnung).
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In
dem dritten Ausführungsbeispiel
stellt die Anordnung von zwei Steuersignal-Fotosensoreinheiten die
ideale Konfiguration dar, da sie es ermöglicht, zwei empfangene Steuersignale
zu addieren, d.h. zu mischen, wodurch die Empfindlichkeit der Fotosensoreinheit
erhöht
und nachteilige Effekte, die durch eine verschlechterte Beugung
verursacht werden, verringert werden können. In dem dritten Ausführungsbeispiel
ist jedoch nur eine einzige Steuersignal-Fotosensoreinheit vorgesehen,
um die Gerätekosten
zu senken und die Zeit, die zur Verarbeitung der Lichtsignaldaten
erforderlich ist, zu verringern.
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Die
optische Einrichtung, d.h. die Beugungsvorrichtung, hat vorzugsweise
bestimmte Merkmale, die so eingestellt sind, dass die Beugungswirkung 0-ter Ordnung für die Wellenlängen (=
850 nm) des Videosignals und die Beugungswirkung erster Ordnung
für die
Wellenlänge
(= 650 nm) des Steuersignals so groß wie möglich sind. Solche Merkmale
sind beispielsweise die Form des Beugungskanals, z.B. der optischen
Stufen, die Stufentiefe und die Ablenkrate.
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In
dem dritten Ausführungsbeispiel
hat die Beugungsgitterplatte 51c die Form eines rechtwinkligen
Beugungskanals. Sie kann jedoch auch eine andere Form haben, z.B.
die eines Blaze-Beugungsgitters oder eines sinusförmigen Beugungsgitters.
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Die
erste Leiterplatte 14a1, die zweite Leiterplatte 14a2,
die dritte Leiterplatte 14a3, die vierte Leiterplatte 14a4,
der Videosignal-LD-Treiber 15d, die Videosignal-Abstrahleinheit 15e,
die Glasplatte 15f, die Linse 15h, die erste Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b1,
die zweite Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b2,
der erste Steuersignal-Verstärker 17c1 und der zweite
Steuersignal-Verstärker 17c2 sind
innerhalb der Vergussbaugruppe 51 angeordnet.
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Die
erste Leiterplatte 14a1 ist über mehrere nicht gezeigte
Kontakthöcker
mit der vierten Leiterplatte 14a4 elektrisch verbunden.
Die zweite Leiterplatte 14a2 ist über mehrere nicht gezeigte
Kontakthöcker
mit der vierten Leiterplatte 14a4 elektrisch verbunden.
Die dritte Leiterplatte 14a3 ist über mehrere Kontakthöcker mit
der vierten Leiterplatte 14a4 elektrisch verbunden. Die
vierte Leiterplatte 14a4 ist über eine flexible Leiterplatte 76 und
eine Zuleitung 74, die durch die Wärmestrahlungsplatte 57 und
den Körper 51a der
Vergussbaugruppe 51 geht, mit der fünften Leiterplatte 14a5 elektrisch
verbunden. Der Körper 51a der
Vergussbaugruppe 51 ist über einen Klebstoff mit der
Wärmestrahlungsplatte 57 verbunden.
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Die
Wärmestrahlungsplatte 57 hat
eine Abstrahlrippe, die aus der Ebene, in der sich die Wärmestrahlungsplatte 57 befindet
und die senkrecht zur optischen Achse der Objektivoptik 13 liegt,
in Richtung der optischen Achse der Objektivoptik 13 zu letzterer
hin überhängt. Die
Wärmestrahlungsplatte 57 strahlt
Wärme von
der Vergussbaugruppe 51 ab.
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Die
fünfte
Leiterplatte 14a5 ist über
Kontakthöcker 79 mit
der sechsten Leiterplatte 14a6 elektrisch verbunden.
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Die
Vergussbaugruppe 51, die fünfte Leiterplatte 14a5 und
die sechste Leiterplatte 14a6 sind an der Leiterträgereinheit 59 angebracht.
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An
der Seite der Vergussbaugruppe 51 ist ein Positionierelement 53 angebracht,
das in Richtung der optischen Achse der Objektivoptik 13 zu dem
Lichtwellenleiterkabel 15j hin überhängt.
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Das
Positionierelement 53 ist so geformt, dass es das Lichtwellenleiterkabel 15j greift
und an die Vergussbaugruppe 51 koppelt. Das Lichtwellenleiterkabel 15j wird
in die Trägereinheit 59 eingesetzt und
in Eingriff mit dem Positionierelement 53 gebracht, das
an der Vergussbaugruppe 51 angebracht ist, so dass die
Verbindung zwischen dem Lichtwellenleiterkabel 15j und
der Vergussbaugruppe 51 leicht hergestellt und der Strahlengang
leicht ausgerichtet werden kann.
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Die
Videosignal-Abstrahleinheit 15e und die Glasplatte 15f sind
auf der der Objektivoptik 13 abgewandten Seite der ersten
Leiterplatte 14a1 angeordnet.
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Die
erste Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b1 und die Glasplatte 15f sind
auf der von der Objektivoptik 13 abgewandten Seite der
zweiten Leiterplatte 14a2 angeordnet.
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Die
zweite Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b2 und die Glasplatte 15f sind
auf der der Objektivoptik 13 abgewandten Seite der dritten
Leiterplatte 14a3 angeordnet.
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Im
Folgenden wird für
das dritte Ausführungsbeispiel
der Teil beschrieben, der der Übertragung
des optischen Signals dient.
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Die
Glasplatte 15f ist auf der ersten Leiterplatte 14a1 angeordnet
und bedeckt die Videosignal-Abstrahleinheit 15e. Die Glasplatte 15f ist
auf der zweiten Leiterplatte 14a2 angeordnet und bedeckt die
erste Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b1.
Die Glasplatte 15f ist auf der dritten Leiterplatte 14a3 angeordnet
und bedeckt die zweite Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b2.
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Die
Linse 15h bündelt
das von der Videosignal-Abstrahleinheit 15e ausgegebene
Videosignal, wandelt dieses abgestrahlte Licht in paralleles Licht und
strahlt das gebündelte,
parallele Licht auf die Beugungsgitterplatte 51c.
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Die
Linse 15h bündelt
das von der Steuersignal-Abstrahleinheit 37d ausgegebene
Licht des Steuersignals, das von der Beugungsgitterplatte 51c in
zwei Richtungen separiert wird, und strahlt einen Teil des gebündelten
Lichtes auf die Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b1 und
den anderen Teil des gebündelten
Lichtes auf die Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b2 ab.
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Die
Glasplatte 15f hat parallel zur optischen Achse der Objektivoptik 13 eine
Dicke von etwa 500 μm.
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Die
Glasplatte 15f hat senkrecht zur optischen Achse der Objektivoptik 13 eine
Dicke von etwa 1000 μm.
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Die
Glasplatte 15f dient für
die Linse 15h als Positionierelement und Fokussierelement.
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Der übrige Aufbau
des dritten Ausführungsbeispiels
ist gleich dem des ersten Ausführungsbeispiels.
Indem in dem dritten Ausführungsbeispiel
die Beugungsgitterplatte 51c zur Separation des übertragenen
Lichtes verwendet wird, können
die Austrittsfläche
der Videosignal-Abstrahleinheit 15e und die Empfangsflächen der
ersten und der zweiten Steuersignal- Fotosensoreinheit 17b1, 17b2 parallel
angeordnet werden. Die Videosignal-Abstrahleinheit 15e, die
erste Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b1 und die zweite
Steuersignal-Fotosensoreinheit 17b2 können deshalb auf den Leiterplatten,
nämlich
der ersten und der zweiten Leiterplatte 14a1, 14a2,
die in der gleichen Ebene liegen, in einem schmalen Bereich montiert
werden.
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Die
Einrichtung, die für
die elektrische Betrachtungseinheit 10 Licht aussendet
und Licht empfängt,
kann so kleiner ausgebildet werden als die Einrichtung, die für den Prozessor 30 Licht
aussendet und Licht empfängt,
in dem unter Verwendung des Prismas und der Kondensorlinse die Fotosensoreinheit
senkrecht zur Abstrahleinheit angeordnet ist, so dass die beiden
genannten Einheiten in zueinander senkrechten Ebenen liegen.
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Insbesondere
kann so die parallel zur optischen Achse der Objektivoptik 13 gemessene
Tiefe verringert werden.
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Wird
ein einziges Kabel gemeinsam genutzt, um Licht von dem Prozessor 30 an
die Betrachtungseinheit 10 und Licht von der Betrachtungseinheit 10 an
den Prozessor 30 zu senden, so wird eine Vorrichtung benötigt, die
das Lichtsignal, das in die eine Richtung läuft (Videosignal), von dem
Signal trennt, das in die entgegengesetzte Richtung läuft (Steuersignal).
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Da
in der Betrachtungseinheit 10 vergleichsweise wenig Raum
vorhanden ist, wird in dem dritten Ausführungsbeispiel das Beugungsgitter
eingesetzt, um die Lichtsignale voneinander zu trennen und es so
zu ermöglichen,
die Abstrahleinheit und die Fotosensoreinheit in der gleichen Ebene
anzuordnen. Da demgegenüber
in dem Prozessor 10 mehr Raum vorhanden ist, wird das Prisma
dazu eingesetzt, die Lichtsignale so zu trennen, dass die Abstrahleinheit und
die Fotosensoreinheit senkrecht zueinander angeordnet sind, so dass
sie in zueinander senkrechten Ebenen liegen. Die zum Senden des
Lichtes bestimmten Komponenten und die zum Empfang des Lichtes bestimmten
Komponenten können
so in Abhängigkeit
des verfügbaren
Raums geeignet angeordnet werden.
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Der
distale Endteil der Betrachtungseinheit 10 hat einen Durchmesser
von etwa 10 mm. Berücksichtigt
man, dass in der Betrachtungseinheit 10 zudem eine Düse, der
Lichtleiter 11a sowie eine Instrumentenöffnung unterzubringen sind,
so sollte der Teil, in dem die Abbildungseinheit 15, auf
der unter anderem der CMOS-Sensor 15a montiert ist, untergebracht
ist, in seiner Form und Größe so gestaltet sein,
dass er nicht über
die Objektivoptik 13 hinausreicht, die einen Durchmesser
von etwa 4 mm hat.
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Fungiert
der CMOS-Sensor als Abbildungssensor, so müssen die Peripherieschaltungen,
z.B. die CDS-Schaltung 15b, in der Nähe des CMOS-Sensors angeordnet
werden. In dem dritten Ausführungsbeispiel
ist jedoch die Leiterplatte, die diese Peripherieschalten hält, senkrecht
zur optischen Achse der Objektivoptik 13 ausgerichtet.
Die Peripherieschaltungen müssen
folglich so angeordnet werden, dass der die Abbildungseinheit 15 enthaltende
Teil nicht über
den Linsendurchmesser der Objektivoptik 13 hinausreicht.
Der Durchmesser der Trägereinheit 59 beträgt etwa
3,8 mm.
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In
dem ersten, dem zweiten und dem dritten Ausführungsbeispiel wird das Lichtwellenleiterkabel gemeinsam
genutzt, um das Videosignal aus der Betrachtungseinheit 10 und
das Steuersignal aus dem Prozessor 30 zu senden. Der Durchmesser
des Kabels der Betrachtungseinheit 10 kann so minimiert werden.
Dies ermöglicht
eine größere Flexibilität in dem
Kabel und verringert die Belastung des Patienten.
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In
dem ersten, dem zweiten und dem dritten Ausführungsbeispiel umfasst das
Endoskopsystem 10 die elektrische Betrachtungseinheit 10 und
den Prozessor 30, die das optische Sende-Empfangsgerät bilden.
Dabei dient die Betrachtungseinheit 10 als Sendeeinrichtung
für das
Videosignal (als erstes Sende-Empfangsgerät), während der Prozessor 30 als
Sendegerät
für das
Steuersignal fungiert (zweites Sende-Empfangsgerät).
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Die
Erfindung kann jedoch auch durch ein anderes optisches Sende-Empfangsgerät realisiert werden.
Beispielsweise kann ein Projektorsystem vorgesehen werden, das einen
Personalcomputer, kurz PC, als Übertragungsgerät für das Videosignal und
einen Projektor als Übertragungsgerät für das Steuersignal
(Fernsteuersignal) umfasst.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
ist das von der Betrachtungseinheit 10 gesendete Signal
ein Videosignal. Das Signal, das von der Betrachtungseinheit 10 gesendet
wird, kann jedoch auch ein anderes digitales Signal sein, z.B. ein Tonsignal.