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Die Erfindung betrifft ein optisches System für ein Stereo-Videoendoskop, welches wenigstens abschnittsweise zwei getrennte Linsensystemkanäle für einen linken und einen rechten Kanal mit einem oder mehreren Paaren von optischen Elementen auf zueinander parallelen optischen Achsen aufweist, sowie ein entsprechendes Stereo-Videoendoskop.
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In der Medizin werden Stereo-Videoendoskope eingesetzt, um einem behandelnden Arzt eine räumliche Darstellung des Körperinneren eines Patienten zu verschaffen. Dazu werden in ein optisches System des Endoskops einfallende Lichtbündel in zwei parallel verlaufenden und ausgebildeten Linsensystemkanälen geführt, welche die Lichtbündel auf zwei getrennte Bildsensoren abbilden. Auf diese Weise werden Bilder des betrachteten Bereichs unter leicht unterschiedlichen Blickwinkeln erfasst. Werden diese Bilder so betrachtet, dass jedes Auge jeweils das Bild oder die Bilder eines Linsensystemkanals wahrnimmt, beispielsweise mit Hilfe einer Shutterbrille, so entsteht ein räumlicher Eindruck des betrachteten Bereichs. Dies wird als Stereoskopie bezeichnet. Ein entsprechendes Stereo-Videoendoskop ist beispielsweise in
DE 10 2013 215 422 A1 offenbart.
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Bei stereoskopischen Endoskopen besteht eine Herausforderung darin, die für den räumlichen Eindruck wichtige Stereobasis ausreichend groß zu gestalten, während der Außendurchmesser des Endoskopschafts möglichst klein zu halten ist. Eine Schwierigkeit ergibt sich dadurch, dass die in den Linsensystemkanälen angeordneten optischen Elemente eine möglichst große Querschnittsfläche aufweisen sollen, damit ein hoher Lichtdurchsatz und eine hohe Bildqualität erzielt wird. Sind allerdings die optischen Elemente zu groß, passen sie nicht mehr nebeneinander in das Hüllrohr des Endoskops. Zudem muss weiterhin darauf geachtet werden, dass auch bei großen optischen Elementen der richtige Abstand der optischen Achsen eingehalten wird.
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Eine Lösung für dieses Optimierungsproblem ist in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2017 123 896 A1 der Anmelderin beschrieben. Ein Kompromiss aus möglichst großer aktiver Fläche der optischen Elemente der Linsensystemkanäle und einem möglichst kleinen Durchmesser des Hüllrohrs wird dadurch gefunden, dass die optischen Elemente, in diesem Fall kreisrunde Linsen, jeweils an einer Seite beschnitten oder abgeschliffen werden, so dass eine Begrenzungsfläche entsteht, die der Linse im Wesentlichen die Form des Buchstabens „D“ verleiht. Solchermaßen bearbeitete Linsen werden auch als „D-Cut“-Linsen bezeichnet. Diese Begrenzungsflächen ermöglichen es, dass die D-Cut-Linsen näher aneinander angeordnet werden können, als es bei unbearbeiteten Linsen der Fall wäre. Umgekehrt bedeutet es, dass bei gleichem Abstand der optischen Achsen zueinander die Querschnittsfläche der D-Cut-Linsen deutlich größer sein kann als diejenige von unbearbeiteten Linsen mit rundem Querschnitt. Durch die veränderte Geometrie ergibt sich eine erhöhte Nutzung der Querschnittsfläche im Hüllrohr des Endoskops.
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US 6,361,491 B1 offenbart einen optischen Adapter für ein Endoskop. Der Adapter ermöglicht eine Stereoaufnahme und umfasst zwei Linsensystemkanäle, deren Linsen als D-Cut-Linsen geschnitten sind.
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In
JP H09-127 435 A ist ein Stereoendoskop mit zwei parallelen Linsensystemkanälen gezeigt, deren Linsen die D-Cut-Form aufweisen.
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US 2014/0177043 A1 offenbart ein Stereoendoskop, in welches gemäß einigen Ausführungsbeispielen D-Cut-Linsen in die parallelen Strahlengänge eingesetzt sind.
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In
US 6,239,922 B1 ist eine bildgebende Linse eines Endoskops offenbart, deren ringförmige Außenfläche eine geneigte Oberfläche aufweist, die mit der optischen Achse einen Winkel einschließt. Auf die geneigte Fläche ist ein lichtabsorbierendes Material aufgetragen, um von außerhalb des Blickfelds auf die geneigte Fläche auftreffende Lichtstrahlen zu absorbieren oder abzuschwächen.
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die optischen Eigenschaften von Stereo-Videoendoskopen mit D-Cut-Linsen zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein optisches System für ein Stereo-Videoendoskop, welches wenigstens abschnittsweise zwei getrennte Linsensystemkanäle für einen linken und einen rechten Kanal mit einem oder mehreren Paaren von optischen Elementen auf zueinander parallelen optischen Achsen aufweist, wobei die optischen Elemente eines oder mehrerer der Paare von optischen Elementen jeweils zueinander symmetrisch um eine Symmetrieebene zwischen den Linsensystemkanälen angeordnet sind und wenigstens ein Paar von symmetrisch zueinander angeordneten optischen Elementen als Paar von D-Cut-Linsen ausgebildet ist, welche jeweils zur Symmetrieebene hin eine zurückversetzte, insbesondere ebene, Begrenzungsfläche aufweisen, welches dadurch weitergebildet ist, dass die Begrenzungsflächen der D-Cut-Linsen des Paares jeweils gegenüber der Symmetrieebene geneigt sind.
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Bei den in
DE 10 2017 123 896 A1 der Anmelderin beschriebenen Stereo-Videoendoskopen hat es sich herausgestellt, dass bei Anwesenheit stärkerer Lichtquellen außerhalb des direkten Sichtfeldes des Stereo-Videoendoskops störende Geisterbilder entstehen können, die durch Reflexion an den Begrenzungsflächen in den Sensorbereich der Bildsensoren gelangen. In einigen Konfigurationen war es dann nicht möglich, dies durch geeignete Blenden im Strahlengang zu unterdrücken. In Ausführungsformen ist dazu die Neigung der Begrenzungsflächen der D-Cut-Linsen des D-Cut-Linsenpaares ausgebildet, Lichtstrahlen von Bereichen außerhalb eines Blickfeldes des optischen Systems, die an den Begrenzungsflächen reflektiert werden, so abzulenken, dass sie nicht in optische Bildsensoren gelangen, die den Linsensystemkanälen zugeordnet sind. Dabei können den linken und rechten Kanälen entweder getrennte Bildsensoren zugeordnet sein, oder es wird ein großer Bildsensor verwendet, der in zwei verschiedenen Bereichen vom linken bzw. rechten Linsensystemkanal beleuchtet wird.
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Die genaue Ausrichtung der Begrenzungsflächen im optischen System hängt von der Gesamtkonfiguration des optischen Systems ab und erfordert die Betrachtung von Strahlen von innerhalb und außerhalb des direkten Sichtfeldes, die auf die Begrenzungsflächen treffen können und nicht durch geeignet platzierte Blenden blockiert werden können, sowie deren Weg im weiteren Verlauf von den Begrenzungsflächen zu den Bildsensoren. Die Neigung der Begrenzungsflächen wird dann so eingestellt, dass diejenigen Strahlen, die zu störenden Geisterbildern führen würden, abgelenkt werden und nicht mehr auf die Bildsensoren treffen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff der D-Cut-Linsen auch Linsengruppe mit entsprechenden Begrenzungsflächen verstanden, die zu jeweils einer Linseneinheit zusammengefasst sind, beispielsweise unter Verwendung von optischem Kitt.
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In Ausführungsformen liegen Normalen auf die Begrenzungsflächen der D-Cut-Linsen des D-Cut-Linsenpaares in der Ebene, die durch die optischen Achsen der beiden Linsensystemkanäle aufgespannt wird. Die Normalen sind Geraden, die auf die Begrenzungsflächen senkrecht stehen, insbesondere diejenigen, die durch das jeweilige Zentrum der Begrenzungsflächen verlaufen. In einem Bezugssystem, in dem die beiden Linsenkanalsysteme als rechts und links definiert sind, sind die Begrenzungsflächen im vorliegenden Fall somit nicht nach oben oder unten, also um eine horizontale Achse in Richtung der optischen Achse, geneigt, sondern nur um eine vertikale Achse.
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In Ausführungsformen kreuzen sich die Normalen auf die Begrenzungsflächen der D-Cut-Linsen des D-Cut-Linsenpaares auf einer Linie in der Mitte zwischen den beiden optischen Achsen. Dies bedeutet, dass die Neigung der beiden Begrenzungsflächen des Paares von D-Cut-Linsen zueinander spiegelsymmetrisch ist.
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In Ausführungsformen haben die Normalen auf die Begrenzungsflächen der D-Cut-Linsen des D-Cut-Linsenpaares jeweils einen Winkel von 2° bis 30°, insbesondere von 5° bis 15°, zu einer Verbindungslinie zwischen den Zentren der beiden D-Cut-Linsen. Diese Winkelbereiche bieten, abhängig von der Gesamtkonfiguration des optischen Systems, eine gute Balance aus Unterdrückung von Geisterbildern und geringer Breite des zwischen dem Paar von D-Cut-Linsen notwendigen Spaltes.
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Vorzugsweise sind die Begrenzungsflächen der D-Cut-Linsen des D-Cut-Linsenpaares so geneigt, dass sich der Abstand zwischen den Begrenzungsflächen in einer Lichteinfallsrichtung des optischen Systems von distal nach proximal verringert. Hierdurch treffen Randstrahlen unter einem flacheren Winkel auf die Begrenzungsflächen auf und werden unter einem flacheren Winkel reflektiert, so dass sie nicht mehr auf die Bildsensoren treffen. Gleichzeitig wird vermieden, dass die Begrenzungsflächen aufgrund ihrer Neigung in den Strahlengang hineinragen.
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In Ausführungsformen fluchten bei D-Cut-Linsengruppen aus mehreren verschiedenen miteinander verbunden D-Cut-Linsen die Begrenzungsflächen miteinander oder weisen unterschiedliche Neigungen auf. In einer weiteren Ausführungsform weisen die Begrenzungsflächen einer D-Cut-Linsengruppe eine gestufte Anordnung auf. Eine solche Abstufung der Neigungen ist nützlich, um verschiedene optische Eigenschaften der einzelnen Linsen der Linsengruppe zu berücksichtigen sowie des Gesamtverlaufs der Strahlengänge des optischen Systems. Wenn die Neigung der Begrenzungsflächen der hinteren, also proximalen, Linse geringer ist als diejenige der vorderen, also distalen, Linse der Linsengruppe, hat dies den Vorteil, dass ein ausreichender Abstand zwischen den D-Cut-Linsen des symmetrisch beidseits der Symmetrieebene angeordneten Paares verbleiben kann, und gleichzeitig die lichtsammelnde Fläche der Linse groß bleibt.
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Die Begrenzungsflächen der D-Cut-Linsen des D-Cut-Linsenpaares sind vorteilhafterweise reflexionsarm behandelt, insbesondere glattgeschliffen oder angeraut, und/oder lichtabsorbierend beschichtet. Durch diese Maßnahmen wird die Menge des für störende Geisterbilder vorhandenen Lichts weiter vermindert.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Stereo-Videoendoskop mit einem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen optischen System gelöst. Dieses Stereo-Videoendoskop verwirklicht damit die gleichen Merkmale, Eigenschaften und Vorteile wie das zuvor beschriebene erfindungsgemäße optische System.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
- 1a), b) schematische Schnittdarstellungen von bekannten D-Cut-Linsen,
- 2a), b) schematische Darstellung des Strahlengangs eines bekannten Stereo-Videoendoskops mit D-Cut-Linsen,
- 3 einen Geisterbild-Effekt,
- 4 einen Teil eines optischen System mit erfindungsgemäß ausgebildeten D-Cut-Linsen und
- 5 einen Strahlengang eines Teils eines optischen Systems mit erfindungsgemäß ausgebildeten D-Cut-Linsen.
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In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
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1 a) und b) zeigen schematische Schnittdarstellungen von bekannten D-Cut-Linsen, wie sie in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2017 123 896 A1 der Anmelderin beschrieben sind.
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In 1a) ist ein Querschnitt durch das Hüllrohr 2 eines Stereo-Videoendoskops gezeigt, in welchem für einen linken und einen rechten Bildkanal jeweils eigene Linsensystemkanäle vorgesehen sind, die jeweils in vollständig oder größtenteils symmetrischer Anordnung Paare von optischen Elementen, insbesondere Linsen, aufweisen. In dem gezeigten Fall handelt es sich um D-Cut-Linsen 20, 30, die mit zurückgesetzten Begrenzungsflächen 22, 32 versehen sind, so dass sie im Hüllrohr 2 näher aneinander platziert werden können, als dies aufgrund der Umfangskreise 24, 34 ohne die entsprechenden Begrenzungsflächen 22, 32 möglich wäre. Dies erlaubt es, bei gleichzeitig verhältnismäßig großer Lichtsammelfläche einen gewünschten Abstand der optischen Achsen 4, 6 des linken und des rechten Bildkanals bzw. der linken und rechten Linsenkanalsysteme einzustellen. Die Begrenzungsflächen 22, 32 sind als ebene Schnitte realisiert, die parallel zu einer Symmetrieebene 10 ausgerichtet sind, welche in der Mitte zwischen und jeweils senkrecht zu den optischen Achsen 4, 6 angeordnet ist. Die Symmetrieebene 10 steht damit auch senkrecht auf einer Verbindungslinie 8 zwischen den optischen Achsen 4, 6.
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In der 1b) ist die D-Cut-Linse 20 einerseits in einem Querschnitt senkrecht zur optischen Achse 4 (linke Darstellung) und andererseits in einem Querschnitt entlang der Verbindungslinie 8 aus 1 a) (rechte Darstellung) gezeigt. Es handelt sich in diesem Fall um eine Linsengruppe aus einer bikonvexen Linse 20 und einer plankonkaven Linse 20`, die beide als D-Cut-Linse ausgebildet sind. Die Begrenzungsflächen 22 sind in beiden Fällen eben und parallel zur optischen Achse 4 angeordnet, was bewirkt, dass die optische Achse 4 nicht zentral in der D-Cut-Linse 20, 20' angeordnet ist.
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2a) stellt einen Strahlengang durch ein optisches System 40 eines Stereo-Videoendoskop dar, welcher einen Abschnitt mit einem gemeinsamen Linsensystem 42 sowie einen Abschnitt 44 mit getrennten Linsenkanalsystem aufweist, von denen der Übersichtlichkeit halber nur ein Linsenkanalsystem tatsächlich dargestellt ist. Das zweite Kanalsystem wäre symmetrisch zu dem unteren Linsenkanalsystem oberhalb der Symmetrieebene angeordnet, welche sich als Fortsetzung der optischen Achse 4' des optischen Systems 40 im Bereich des gemeinsamen Linsensystems 42 gestaltet.
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Das gemeinsame Linsensystem 42 setzt sich in dem Ausführungsbeispiel zusammen aus einem Eintrittsfenster 50, einer als negativer Meniskus ausgebildeten Eintrittslinse 52, einem Prisma 54, welches die Strahlen in der Tiefenebene der Darstellung umgelenkt, so dass die optischen Strahlen in der gezeigten Ansicht nicht geknickt erscheinen, sowie einer Austrittslinse 56. An die Austrittslinse 56 schließt sich ein Eintrittsfenster (ohne Bezugszeichen) des gezeigten Linsenkanalsystems an, sowie eine axial verschiebbare Linse bzw. Linsengruppe 46, welche bei einem seitwärts blickenden Endoskop Unterschiede in dem Strahlengang des rechten und des linken Kanals ausgleicht, sowie drei Linsengruppen 19, 20, 21, welche als D-Cut-Linsen ausgebildet sind. Es schließt sich der Bildsensor 60 an.
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Ebenfalls dargestellt sind mehrere mögliche Strahlengänge, wobei der Begrenzungsstrahlengang 80 für den äußersten Rand des direkten Blickfelds mit einer stärkeren gestrichpunkteten Linie hervorgehoben ist. Ebenfalls mit einer stärkeren gestrichpunkteten Linie ist die zentrale Achse des Strahlengangs 84 für das Linsenkanalsystem 44 dargestellt, während der innere begrenzende Strahlengang 82 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist. Ferner ist ein Bereich außerhalb des eigentlichen Blickfeldes mit einem Strahlengang 62 dargestellt, welcher zu Geisterbildern führen kann, da er im Verlauf des optischen Systems auf die Begrenzungsfläche 22 der D-Cut-Linse bzw. D-Cut-Linsengruppe 20 trifft und von dort wieder in den Strahlengang hinein reflektiert wird, so dass er als Geisterbild auf den Bildsensor 60 trifft. Dies ist in größerer Abbildung in 2b) für den Abschnitt mit den parallelen Linsenkanalsystemen dargestellt.
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3 stellt einen Geisterbild-Effekt 74 in einem linken Kanal 70 und einem rechten Kanal 72 eines Stereo-Videoendoskops mit einem optischen System gemäß 2 dar. Die etwa mittig erscheinenden Geisterbilder entstehen durch Reflexion an den Begrenzungsflächen 22 der D-Cut-Linsen 20.
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4 zeigt einen Abschnitt 144 eines optischen Systems mit zwei parallelen Linsensystemkanälen mit erfindungsgemäß ausgebildeten D-Cut-Linsen 120. Die Darstellung entspricht derjenigen der 2b) mit dem Unterschied, dass die D-Cut-Linsen bzw. D-Cut-Linsengruppen 120 mit geneigten Begrenzungsflächen 122 versehen sind. Die Neigung ist in diesem Fall in den beiden Linsenkanalsystemen für den rechten und linken Kanal spiegelsymmetrisch und entgegengesetzt, so dass sich in Richtung auf das distale Ende (nach links weisend dargestellt) ein Öffnungswinkel 123 ergibt, der den doppelten Betrag des Neigungswinkels der Begrenzungsflächen 122 jeder einzelnen D-Cut-Linse 120 hat.
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Ebenfalls sichtbar ist, dass die beiden Linsen der Linsengruppe, die die D-Cut-Linse 20 bilden, etwas verschiedene Neigungswinkel aufweisen und an ihrem Übergang eine Stufe vorhanden ist. Diese stufenweise Ausgestaltung trägt einerseits dazu bei, dass die Linsengruppe gut an entsprechenden Anschläge der Halterung positionierbar ist, und erlaubt die Berücksichtigung der unterschiedlichen optischen Eigenschaften der beiden Linsen der Linsengruppe 120. So ist möglich, den Neigungswinkel der proximalen Linse der Linsengruppe 120 geringer einzustellen als denjenigen der distalen Linse der Linsengruppe 120, womit Raum zur Symmetrieebene eingespart wird.
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Schließlich ist in dieser Ansicht deutlich, dass die axial verschiebbaren Linsen 46 bzw. Linsengruppen der beiden Linsensystemkanäle eingangs der Baugruppe an verschiedenen axialen Positionen angeordnet sind. Damit wird ein Unterschied im Strahlengang bei einem seitwärtsblickenden Endoskop ausgeglichen, dessen Blickrichtung unter einem Winkel zu der Symmetrieebene (in die Ebene der Figur hinein) steht.
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Anschließend zu 4 zeigt 5 einen Strahlengang eines Teils eines optischen Systems 140 mit einem Abschnitt 144 mit erfindungsgemäß ausgebildeten D-Cut-Linsen 120, im Wesentlichen in der in 4 dargestellten optischen Konfiguration. Neben der optischen Achse 4' des gemeinsamen Systems 42 sind auch die Begrenzungstrahlengänge 80, 82 und der zentrale Strahlengang 84 des direkten Sichtfeldes dargestellt. Für Strahlen von außerhalb des direkten Sichtfeldes besteht die Gefahr der Reflexion an den Begrenzungsflächen 122 nicht, da diese mit ihrer Neigung entsprechend zurückversetzt sind, so dass keine Reflexion zurück zum Strahlengang und auf den Bildsensor 60 vorkommt.
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Die Begrenzungsflächen 122 der D-Cut-Linsen 120 können reflexionsarm bearbeitet sein, beispielsweise durch eine Licht absorbierende Beschichtung auf einer durch Anrauung oder Glattschliff bearbeiteten Begrenzungsfläche, um das Auftreten von störenden Geisterbildern noch stärker zu unterdrücken.
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Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Hüllrohr
- 4, 4'
- optische Achse
- 6
- optische Achse
- 8
- Verbindungslinie
- 10
- Symmetrieebene
- 19
- Linsen
- 20, 120
- D-Cut-Linse
- 20`
- D-Cut-Linse
- 21
- D-Cut-Linse
- 22, 122
- Begrenzungsfläche
- 24
- Umfangskreis
- 30
- D-Cut-Linse
- 32
- Begrenzungsfläche
- 34
- Umfangskreis
- 40, 140
- optisches System
- 42
- gemeinsames Linsensystem
- 44, 144
- Abschnitt mit getrennten Linsenkanalsystemen
- 46
- axial verschiebbare Linse
- 50
- Eintrittsfenster
- 52
- Eintrittslinse
- 54
- Prisma
- 56
- Austrittslinse
- 60
- Bildsensor
- 62
- Strahlengang für Geisterbild
- 70
- linker Kanal
- 72
- rechter Kanal
- 74
- Geisterbild
- 80
- äußerer Begrenzungsstrahlengang
- 82
- innerer Begrenzungsstrahlengang
- 84
- zentraler Strahlengang
- 123
- Öffnungswinkel
