DE10104483A1

DE10104483A1 - Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung von Oberflächen in Hohlräumen

Info

Publication number: DE10104483A1
Application number: DE2001104483
Authority: DE
Inventors: Martin Hoffmann
Original assignee: FORSCHUNGSZENTRUM fur MEDIZIN; Forschungszentrum Borstel Zentrum fuer Medizin und Biowissenschaften
Current assignee: FORSCHUNGSZENTRUM fur MEDIZIN; Forschungszentrum Borstel Leibniz Lungenzentrum FZB
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2002-10-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein endoskopisches Gerätesystem zur Gewinnung eines dreidimensionalen Oberflächenmodells für die quantitative Erfassung der Topographie von Oberflächenstrukturen beliebig gestalteter Flächen in Hohlräumen, insbesondere organischen Hohlräumen. DOLLAR A Die endoskopische Vorrichtung ist derart gestaltet, dass optische 3-D-Flächemessverfahren, welche grundsätzlich auf dem Prinzip der Triangulation zur Bestimmung der Raumkoordinaten beruhen, vorteilhaft unter den beschränkten Raumbedingungen endoskopischer Systeme realisiert werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein endoskopisches Gerätesystem zur Gewinnung eines dreidimensionalen Oberflächenmodells für die quantitative Erfassung der Topographie von Oberflächenstruk turen beliebig gestalteter Flächen in Hohlräumen, insbesonde re organischen Hohlräumen.

Es sind endoskopische Vorrichtungen bekannt, mit welchen Län gen bzw. Abstände zwischen zwei Punkten auf einer Oberfläche bestimmt werden. Derartige Vorrichtungen sind unter anderem in der DE 195 11 978 A1 und der DE 36 29 435 A1 sowie der DE 35 16 164 A1 beschrieben.

Zur dreidimensionalen Vermessung von Oberflächen in Hohlräu men, ist aus der DE 197 50 698 A1 eine Anordnung bekannt, bei welcher ringförmige Markierungen auf die zu vermessende lu menförmige Oberfläche projiziert werden. Die Abbildungs- und Projektionssonde wird um definierte Wege verschoben und das jeweils zugehörige Bild aufgenommen. Durch Bestimmen der Bildkoordinaten der einzelnen Lumenmarkierungen und Zusammen setzen der Einzelbilder kann die Gesamtoberfläche bestimmt werden. Die Anordnung und das angewendete Verfahren sind vor zugsweise für lumenförmige Hohlräume vorgesehen. Eine Vermes sung beliebig gekrümmter Oberflächen in Hohlräumen ist mit dieser Anordnung nur begrenzt möglich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine endoskopische Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung von beliebig gekrümmten Oberflächen in Hohlräumen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine endoskopische Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange geben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur darge stellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Figur zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemä ßen Vorrichtung.

Die endoskopische Vorrichtung ist erfindungsgemäß zur 3D- Vermessung von beliebig gestalteten Flächen in Hohlräumen konzipiert. Die Vorrichtung ist derart gestaltet, dass opti sche 3D-Flächenmessverfahren, welche grundsätzlich auf dem Prinzip der Triangulation zur Bestimmung der Raumkoordinaten beruhen, vorteilhaft unter den beschränkten Raumbedingungen endoskopischer Systeme realisiert werden können.

Die distal angeordnete Projektionseinheit 6 erzeugt eine Se quenz bekannter Strukturen, vorzugsweise sinusförmige Gitter strukturen. Geeignete Projektionseinheiten sind Laserprojek toren, LCD-Projektoren, Micromirror-Projektoren und spezielle Dia-Projektoren. Mittels eines als Stablinsensystem ausge führten Projektionskanals 2 und einer proximal angeordneten Projektionsoptik 4 wird die Bildsequenz auf die zu vermessen de Oberfläche projiziert. Eine proximal angeordnete Abbil dungseinheit 7 ist mit der Projektionseinheit 6 synchroni siert. Über eine distal angeordnete Abbildungsoptik 4 und ei nen ebenfalls als Stablinsensystem ausgeführten Abbildungska nal 3 wird die strukturiert beleuchtete Messoberfläche auf dem matrixförmigen CCD- oder CMOS-Bildsensor der Abbildungs einheit abgebildet. Die resultierende Messsequenz wird in Form von Bilddaten an eine Auswerteeinheit weitergeleitet und basierend auf den Daten der kalibrierten Messvorrichtung die 3D-Koordinaten der Messoberfläche berechnet.

Die Gleichung a = b.sin(α[x, y])/sin(180°- α[x, y] - β[x, y])
a = Abstand zu Oberflächenpunkt
b = Basisweite
x, y = Raumkoordinaten
α[x, y] = abbildungsseitiger Triangulationswinkel
β[x, y] = projektionsseitiger Triangulationswinkel
beschreibt die wesentlichen geometrischen Beziehungen der zu grundeliegenden Messvorrichtung. Der Winkelbereich von α[x, y] und β[x, y] wird durch den Achswinkel aw, die Feldwinkel fa und fp sowie durch das zu realisierende Messvolumen mv be grenzt. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Messvor richtung kann die Basisweite b ein mehrfaches des Schaft durchmessers d betragen und der Achswinkel aw << null ausge führt werden. Für die Winkel α[x, y] und β[x, y] resultieren damit die für das Messverfahren erforderlichen Wertebereiche. Das Korrespondenzproblem wird basierend auf dem bekannten Prinzip der strukturierten Beleuchtung gelöst. Das Phasen shiftverfahren erlaubt die Phasenzuordnung von Projektions gitter und Matrixelementen des Bildsensors mit subpixel Ge nauigkeit. Das Gray-Code-Verfahren realisiert die Zuordnung eines Matrixelementes des Bildsensors zu einer Periode des Projektionsgitters.

Bezugszeichenliste

1

Endoskopschaft

2

Projektionskanal

3

Abbildungskanal

4

Projektionsoptik

5

Abbildungsoptik

6

Projektionseinheit

7

Abbildungseinheit

8

Flansch

9

Okular

10

Lichtleiter für konventionelle Beleuchtung
b Basisweite
d Durchmesser des Endoskopschaftes
fa doppelter Feldwinkel der Abbildungsoptik
fp doppelter Feldwinkel der Projektionsoptik
mv Messvolumen
aw Achswinkel zwischen den optischen Achsen der Abbildungs- und Projektionsoptik.

Claims

1. Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung von Oberflä chen in Hohlräumen, bei welcher durch Projektion einer flächigen Struktur und Erfassen der durch die Oberflächen form modulierten Struktur die Oberflächendaten quantitativ bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem En doskopschaft (1) mindestens ein optischer Abbildungskanal (3) und mindestens ein optischer Projektionskanal (2) an geordnet sind, dass beide Kanäle distal seitlich aus dem Endoskopschaft (1) herausgeführt sind, wobei die optischen Achsen um den Achswinkel (aw) zu einander geneigt sind, und die Austrittsöffnungen um die Basisweite (b) beabstan det sind, wobei die Basisweite (b) ein Mehrfaches des Schaftdurchmessers (d) beträgt, und dass proximal dem Ab bildungskanal (3) eine Abbildungseinheit (7) und dem Pro jektionskanal (2) eine Projektionseinheit (6) zur Erzeu gung einer Sequenz flächiger Beleuchtungsstrukturen zuge ordnet ist.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abbildungskanal (3) und der Projektionskanal (2) als Stablinsensysteme ausgeführt sind.

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass zusätzliche Komponenten (10) zur unstruktu rierten Beleuchtung vorhanden sind.

4. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass der Feldwinkel (fp) der Projek tionsoptik (4) größer als der Feldwinkel (fa) der Abbil dungsoptik (5) ist.