DE102006054310A1

DE102006054310A1 - Vermessen eines Hohlraums mittels zylindersymmetrischer Triangulation

Info

Publication number: DE102006054310A1
Application number: DE102006054310A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Forster; Claudio Dr. Laloni; Gerhard Dr. Röhrlein; Anton Schick
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2008-05-29
Also published as: US20100060718A1; WO2008058882A1

Abstract

Es ist eine optische Messvorrichtung (100) zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums (125) beschrieben. Die optische Messvorrichtung (100) weist auf eine Lichtquelle (110), eingerichtet zum Aussenden von Beleuchtungslicht (111) entlang eines Beleuchtungsstrahlengangs (116), und ein optisches Ablenkungselement (120), welches das ausgesendete Beleuchtungslicht (111) räumlich derart strukturiert, dass an der Innenwand eine um die Längsachse (117) umlaufende Beleuchtungslinie (128) ..., deren Form von der Größe und der Form des Hohlraums (125) abhängt. Die optische Messvorrichtung (100) weist ferner eine Kamera (145) auf, welche über einen Abbildungsstrahlengang (136) die zumindest eine Beleuchtungslinie (128) unter einem Triangulationswinkel (Theta) erfasst. Durch eine geeignete Bildauswertung der von der Kamera erfassten Form und Größe der zumindest einen Beleuchtungslinie (128) kann die dreidimensionale Form des Hohlraums (125) bestimmt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung sowie ein Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums. Die Erfindung betrifft insbesondere eine derartige optische Messvorrichtung sowie ein derartiges Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen des Gehörgangs eines menschlichen oder eines tierischen Lebewesens.
Für die Herstellung von passgenauen Hörgeräten ist es erforderlich, die Form des äußeren und des inneren Gehörganges von Patienten präzise zu erfassen bzw. zu vermessen. Mit Hilfe von entsprechenden dreidimensionalen Daten werden Hörgeräte modelliert und angepasst. Nur dadurch ist es gewährleistet, dass das Hörgerät druck- und schmerzfrei im Ohr getragen werden kann. Darüber hinaus ist es funktional von Bedeutung, dass der Spalt zwischen dem Ohr und dem Hörgerät möglichst gering ist, da ansonsten über diesen Weg Nebengeräusche die Wirkung des Hörgerätes verringern.
Gegenwärtig ist die Ermittlung der Formdaten für den Patienten relativ unangenehm. In das Ohr wird eine Kunststoffmasse eingespritzt und nach dem Aushärten wieder entfernt. Der dabei gewonnene Formabdruck wird in ein Labor verschickt. Im Labor wird der Abdruck wiederum dreidimensional vermessen. Mittels der gewonnenen dreidimensionalen (3D) Daten wird dann das Hörgerät hergestellt. Die Methode des Formabdrucks hat jedoch den Nachteil, dass Schrumpfungsvorgänge der Kunststoffmasse nicht vermieden werden können, da dem Patienten nicht zugemutet werden kann, die relativ unangenehme Prozedur der Formabdruckherstellung über eine längere Zeitspanne zu ertragen. Die Methode des Formabdrucks hat ferner den Nachteil, dass der Ohrkanal nicht direkt, sondern lediglich indirekt durch eine Vermessung des Formabdrucks vermessen wird. Dies führt zu Ungenauigkeiten bei den hergestellten Hörgeräten und damit zu einem entsprechend reduzierten Tragekomfort.
Aus der EP 1 661 507 A1 ist ein Verfahren zum Erlangen eines dreidimensionalen Bildes des äußeren Ohrkanals bekannt. Dabei wird der äußere Ohrkanal unter Verwendung einer Videokamera erfasst und die gewonnenen Bilddaten an einen Dienstleistungsanbieter übertragen. Dieser führt mit den Daten einen Plausibilitätstest durch und konvertiert die Daten in geometrische 3D Daten. Die konvertierten Daten können zur Herstellung von angepassten Hörgeräten verwendet werden.
Aus der US 6,751,494 B2 ist ein Verfahren zum Rekonstruieren der Geometrie einer Innenwand eines Hohlraums bekannt. Der Hohlraum kann beispielsweise der äußere Gehörgang eines Patienten sein. Bei dem beschriebenen Verfahren wird ein optischer Sensor in den Gehörgang eingeführt. Gleichzeitig werden dabei Videosignale aufgenommen, die an einen Rechner übertragen werden. Der Rechner transformiert die Videosignale in Positionsdaten, welche die Innenwand des Hohlraums beschreiben. Auf diese Weise wird die dreidimensionale Struktur des Hohlraums vermessen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Messvorrichtung sowie ein Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums anzugeben, welche zum einen eine besonders schnelle und zum anderen eine besonders genaue Hohlraum-Vermessung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Mit dem unabhängigen Patentanspruch 1 wird eine optische Messvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums beschrieben. Die optische Messvorrichtung eignet sich insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen des Gehörgangs eines menschlichen oder tierischen Lebewesens. Die beschriebene optische Messvorrichtung weist auf (a) eine Lichtquelle, eingerichtet zum Aussenden von Beleuchtungslicht entlang eines Beleuchtungsstrahlengangs, und (b) ein optisches Ablenkungselement, welches das ausgesendete Beleuchtungslicht räumlich derart strukturiert, dass an der Innenwand eine um die Längsachse zumindest eine umlaufende Beleuchtungslinie erzeugt wird, deren Form und/oder Lage und/oder Ausdehnung von der Größe und der Form des Hohlraums abhängt. Die beschriebene optische Messvorrichtung weist ferner auf (c) eine Kamera, welche über einen Abbildungsstrahlengang die zumindest eine Beleuchtungslinie unter einem Triangulationswinkel erfasst.
Die Strukturierung des Beleuchtungslichts kann konzentrisch zu einer Längsachse der optischen Messvorrichtung zumindest eine Beleuchtungsstruktur erzeugen, die jeweils die Form eines Kegelmantels aufweist und die auf die Innenwand des Hohlraums projizierbar ist. Dabei ist jeder Beleuchtungsstruktur genau eine Beleuchtungslinie zugeordnet.
Der genannten optischen Messvorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine zylindersymmetrisch strukturierte Beleuchtung, die auf die Innenwand des zu vermessenden Hohlraums projiziert wird, auf einfache Weise unter Verwendung eines erfindungsgemäß modifizierten Triangulationsverfahrens eine dreidimensionale (3D) Vermessung des Hohlraums realisiert werden kann. Dabei wird die Form der zumindest einen Projektionslinie von einer Kamera erfasst, die bevorzugt symmetrisch zu der Längsachse ein zweidimensionales (2D) Bild von den dem Projektionsring oder von den Projektionsringen aufnimmt. Anhand der Abweichungen bzw. Verzerrungen der erfassten Projektionsform von symmetrischen, zu der Längsach se konzentrischen Kreisformen kann die Innenwand des Hohlraums in 3D vermessen werden.
Die beschriebene optische Messvorrichtung hat gegenüber dreidimensionalen Abstandssensoren, bei denen jeweils nur ein Messpunkt beleuchtet und die Höhenposition des beleuchteten Messpunkts erfasst wird, den Vorteil, dass quasi gleichzeitig automatisch eine Vielzahl von Messpunkten vermessen werden, die um die Längsachse herum angeordnet sind. Auf diese Weise ergibt sich insgesamt eine erheblich erhöhte Abtastgeschwindigkeit.
Bevorzugt werden mehrere Beleuchtungsstrukturen erzeugt, wobei jede der erzeugten Beleuchtungsstrukturen jeweils die Form eines Kegelmantels aufweist. Auf diese Weise kann die Anzahl der gleichzeitig mittels eines einzigen Kamerabildes erfassbaren Messpunkte weiter erhöht werden.
Bei einem zylinderförmigen Hohlraum, der sich symmetrisch um die Längsachse der optischen Messvorrichtung herum erstreckt, ergeben sich Projektionsringe, die konzentrisch zu der Längsachse ausgebildet bzw. angeordnet sind. Bei einem zylinderförmigen Hohlraum, der sich um eine Zylinderachse herum erstreckt, die relativ zu der Längsachse der optischen Messvorrichtung einen Parallelversatz aufweist, ergeben sich verzogene Projektionslinien, die in Bezug auf die Längsachse eine wellenförmige Form aufweisen. Dabei sind benachbarte Projektionslinien in einem ersten Wandbereich der Innenwand, der weiter von der Längsachse entfernt ist als ein zweiter Wandbereich, weiter voneinander beabstandet. Dies liegt daran, dass aufgrund der kegelförmigen Auffächerung der einzelnen Beleuchtungsstrukturen benachbarte Projektionslinien mit zunehmendem Abstand von der Längsachse weiter voneinander beabstandet sind. Somit wird deutlich, dass sowohl die Abweichung der 3D Form der von der Kamera erfassten Projektionslinien von einer idealen Kreisform als auch die Beabstandung benachbarten Projektionslinien Informationen über die 3D Kontur des Hohlraums liefern.
An dieser Stelle wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass bereits eine Beleuchtungsstruktur bzw. eine ggf. verformte Beleuchtungslinie eine 3D Information bezüglich der Größe und der Form des zu vermessenden Hohlraums ergibt. Trotzdem ist es insbesondere aus Gründen der Messgeschwindigkeit vorteilhaft, das von der Lichtquelle ausgesendete Beleuchtungslicht in eine Mehrzahl von kegelförmig aufgeweiteten Beleuchtungsstrukturen zu strukturieren.
Die Erfassung der Beleuchtungslinien unter einem Triangulationswinkel bedeutet, dass der Strahlengang des Abbildungslichts mit dem Strahlengang des Beleuchtungslichts, d.h. mit dem jeweiligen Öffnungswinkel der kegelförmigen Beleuchtungsstruktur, einen von 0° verschiedenen Winkel einschließt. Dieser Winkel wird als Triangulationswinkel bezeichnet. Je größer dieser Triangulationswinkel ist, desto höher ist die Genauigkeit der 3D Positionsbestimmung.
Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass ein bei einer bestimmten Beleuchtungsrichtung erzeugter Lichtfleck aus einer anderen Richtung beobachtet wird. Der Triangulationswinkel ist durch den Winkel definiert, den diese beiden Richtungen aufspannen. Die Kenntnis des Triangulationswinkels erlaubt in bekannter Weise die Bestimmung der Höhe bzw. die Bestimmung der lateralen Position des Lichtflecks in Bezug auf die Längsachse der beschriebenen optischen Messvorrichtung.
Es wird darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Beleuchtungsstrukturen Kegelmantelflächen sind, die sich ausgehend von der Längsachse der optischen Messvorrichtung mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln nach außen öffnen. Dabei können die Kegelspitzen in einem virtuellen Quellpunkt zusammenfallen, wobei der Quellpunkt auf der Längsachse liegt. In diesem Zusammenhang bedeutet reeller Quellpunkt, dass alle Beleuch tungsstrukturen zumindest annähernd von einem auf der Längsachse befindlichen Quellpunkt ausgehen. Dies ist dann der Fall, wenn der aufgefächerte Beleuchtungsstrahlengang im Bereich des optischen Ablenkungselements mit der Längsachse zusammenfällt.
Die Beleuchtungsstrukturen können jedoch auch aus einem Kreisring austreten, der konzentrisch um die Längsachse angeordnet ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die optische Achse des Abbildungsstrahlengangs zumindest in Teilbereichen mit der Längsachse zusammenfällt und das Beleuchtungslicht außerhalb der Längsachse zu dem optischen Ablenkungselement hingeführt wird.
Die beschriebene optische Messvorrichtung hat den Vorteil, dass zur 3D Vermessung innerhalb der Messvorrichtung keine bewegten Teile und insbesondere keine bewegten optischen Komponenten erforderlich sind. Dies bedeutet, dass die optische Messvorrichtung vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden kann und dass ferner die Zuverlässigkeit der Messvorrichtung auch unter realen Einsatzbedingungen sehr hoch ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass zur Vermessung von größeren Hohlräumen die gesamte Messvorrichtung bevorzugt entlang der Längsachse verschoben werden kann. Die bei einer derartigen Bewegung aufgenommenen Teilbilder können mittels geeigneter Bildverarbeitungsmethoden wieder zusammengesetzt werden. Ein derartiges Zusammensetzten wird häufig auch als "stitching" bezeichnet.
Der Tiefenmessbereich, d.h. der Bereich entlang der Längsachse, in dem die 3D Vermessung durchgeführt werden kann, hängt von der Anzahl und dem Winkelabstand der einzelnen Beleuchtungsstrukturen in Bezug auf die jeweiligen Kegel-Öffnungswinkel ab. Je höher diese Anzahl und je größer dieser Winkelabstand ist, desto größer ist auch der Messbereich der optischen Messvorrichtung. Je geringer die Anzahl der erzeugten Beleuchtungsstrukturen bzw. je geringer die Anzahl der projizierten Beleuchtungslinien ist, desto mehr Einzelaufnahmen müssen zur Vermessung eines Hohlraums miteinander kombiniert werden.
Die beschriebene optische Messvorrichtung hat ferner den Vorteil, dass sie innerhalb einer kleinen Bauform realisiert werden kann. Somit kann zumindest ein objektseitiges Ende der optischen Messvorrichtung auch in vergleichsweise kleine bzw. dünne Hohlräume eingeführt werden. Dies schafft die Möglichkeit, dass die optische Messvorrichtung als mobiles Gerät beispielsweise zur Vermessung des Ohrkanals eines menschlichen oder tierischen Lebewesens eingesetzt werden kann. Durch ein derartiges direktes Scannen bzw. Abtasten kann man in Vergleich zu Abdruckformen tiefer in den Gehörgang eindringen und den Gehörgang auch in der Nähe des Trommelfells dreidimensional vermessen. Dadurch können Hörgeräte so ausgeformt werden, dass sie in der Nähe des Trommelfells positioniert werden können. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad derartiger Hörgeräte erheblich erhöht.
Insbesondere in Verbindung mit der Vermessung des menschlichen Ohrkanals ergeben sich weitere Vorteile der beschriebenen optischen Messvorrichtung. So wird beispielsweise durch das direkte 3D Scannen der für einen Patienten typischerweise sehr unangenehme Formabdruck vermieden. Ferner sind die durch das direkte 3D Scannen erhaltenen 3D Daten im Vergleich zu der 3D Vermessung eines Formabdrucks deutlich präziser, da eine üblicherweise auftretende Schrumpfung einer Formabdruckmasse auf die Genauigkeit der direkten 3D Messung nicht relevant ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 2 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich eine Auswerteeinheit auf, welche der Kamera nachgeschaltet ist und welche derart eingerichtet ist, dass durch eine Bildverarbeitung der von der Kamera erfassten zumindest einen Beleuchtungslinie die Größe und die Form zumindest eines Teils des Hohlraums automatisch bestimmbar ist. Die beschriebene Auswerteeinheit ermöglicht somit auf vorteilhafte Weise eine automatische Bildauswertung der von der Kamera erfassten 2D Bilder, so dass als Ausgabegröße der optischen Messvorrichtung direkt 3D Daten des vermessenen Hohlraum zur weiteren Datenverarbeitung bereit gestellt werden können.
In Verbindung mit der Vermessung des menschlichen Ohrkanals hat das beschriebene 3D Scannen und die automatische Auswertung den Vorteil, dass die gewonnenen 3D Daten direkt, d. h. insbesondere elektronisch, an Speziallaboratorien zur Herstellung eines optimal angepassten Hörgerätes geschickt werden können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 3 weist das optische Ablenkungselement eine in Bezug auf die Längsachse zylindersymmetrische Form aufweist. Dies hat den Vorteil, dass entlang des Außenumfangs eines jeden Kegelmantels eine gleichmäßige Intensitätsverteilung gewährleistet ist.
Gemäß Anspruch 4 ist das optische Ablenkungselement ein optisch diffraktives Element und/oder ein optisch refraktives Element. Dies ermöglicht auf einfache Weise eine Strukturierung des Beleuchtungslichts.
Es wird darauf hingewiesen, dass nicht nur monochromatisches Beleuchtungslicht verwendet werden kann, welches beispielsweise von einem Laser, insbesondere von einer Laserdiode oder von einer Leuchtdiode erzeugt werden kann. Das Beleuchtungslicht kann auch von einer spektral breitbandigen Lichtquelle erzeugt werden, so dass die auf die Innenwand projizierten Beleuchtungsstrukturen nicht nur räumlich sondern zusätzlich auch spektral, d.h. hinsichtlich ihrer Farbe strukturiert sind. Auch die Farbstrukturierung kann dazu verwendet werden, die dreidimensionale Form des zu vermessenden Hohlraums genau zu bestimmen.
Gemäß Anspruch 5 ist das optische Ablenkungselement ein optisches Gitter, welches eine Substruktur aufweist. Das optische Ablenkungselement kann dabei ein so genanntes Damman-Gitter sein, welches eine besonders vorteilhafte Substruktur aufweist, so dass die Lichtintensität selektiv und ggf. weitgehend gleichmäßig auf bestimmte Beugungsordnungen verteilt wird. Insbesondere kann die zur Verfügung stehende Lichtintensität auf höhere Beugungsordnungen verteilt werden, so dass möglichst wenig Beleuchtungslicht in niedrige Beugungsordnungen gelenkt wird, welche lediglich in einem kleinen Winkel zu der Längsachse verlaufen. Somit ist der Winkel vergleichsweise groß, in dem die Beleuchtungslinien auf die Innenwand des zu vermessenden Hohlraum in Bezug auf die Längsachse der beschriebenen optischen Messvorrichtung projiziert werden. Dies hat wiederum positive Auswirkungen auf die Messgenauigkeit der optischen Messvorrichtung.
Der Begriff optisches Gitter bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Gitterabstände in der Größenordnung der Wellenlänge bzw. des Wellenlängenspektrums des Beleuchtungslichts liegen.
Gemäß Anspruch 6 weist die optische Messvorrichtung ferner eine Projektionsoptik auf, welche in dem Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Fokussierung des Beleuchtungslichts erreicht werden kann, so dass die Beleuchtungslinien möglichst scharf an der Innenwand des zu vermessenden Hohlraums abgebildet werden und demzufolge als scharfe Strukturen von der Kamera erfasst werden können. Die optimale Wahl der Brennweite dieser Optik hängt somit von der Auffächerung des auf die Optik auftreffenden Beleuchtungsstrahls, von der optischen Weglänge des Beleuchtungslichts zwischen der Optik und des optischen Ablenkungselements und von der optischen Weglänge zwischen dem optischen Ablenkungselement und der Innenwand ab. Somit sollte die Brennweite dieser Optik nicht nur von dem Design der beschriebenen optischen Messvorrichtung, sondern auch von der ungefähr zu erwartenden Größe des zu vermessenden Hohlraums abhängen.
Gemäß Anspruch 7 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich einen in der Längsachse in einem schrägen Winkel angeordneten Strahlteiler auf, welcher den Beleuchtungsstrahlengang derart umlenkt, dass ein objektseitiger Abschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs parallel zu der Längsachse verläuft oder welcher den Abbildungsstrahlengang derart umlenkt, dass ein bildseitiger Abschnitt des Abbildungsstrahlengangs winklig zur Längsachse verläuft.
In diesem Zusammenhang bedeutet schräger Winkel, dass der Strahlteiler in einem Winkel ungleich von 0° und ungleich von 90° in Bezug auf die Längsachse angeordnet ist. Bevorzugt ist der Strahlteiler in einem Winkel von 45° zur Längsachse geneigt, so dass der Beleuchtungsstrahlengang oder der Abbildungsstrahlengang einen Knick von 90° aufweist.
Gemäß Anspruch 8 ist zumindest ein Abschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs, in dem das Beleuchtungslicht parallel zur Längsachse geführt ist, um den mittig in der Längsachse verlaufenden Abbildungsstrahlengang herum ausgeformt. Dabei kann der Beleuchtungsstrahlengang in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse ringsymmetrisch, d.h. konzentrisch um die Längsachse bzw. den Abbildungsstrahlengang herum angeordnet sein. Dies bedeutet, dass ein zu der Längsachse konzentrischer Beleuchtungsstrahl auf das optische Ablenkungselement trifft, welches ebenfalls symmetrisch zu der Längsachse ausgebildet ist. Als optisches Ablenkungselement eignet sich beispielsweise ein ringförmiges Gitter.
An dieser Stelle wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die beschriebene Messvorrichtung in Bezug auf die relative räumliche Anordnung von Beleuchtungsstrahlengang und Abbil dungsstrahlengang auch auf andere Weise realisiert werden kann. So kann beispielsweise der Abbildungsstrahlengang um den mittig in der Längsachse verlaufenden Beleuchtungsstrahlengang herum ausgeformt sein. In diesem Fall werden die an die Innenwand des zu vermessenden Hohlraums projizierten Beleuchtungslinien mittels einer bevorzugt konzentrisch zur Längsachse angeordneten ringförmigen Apertur erfasst. Der Abbildungsstrahlengang kann in diesem Fall beispielsweise mittels entsprechend um die Längsachse herum räumlich verteilten Lichtwellenleitern realisiert werden, welche in ihrer Gesamtheit eine Bildübertragung ermöglichen.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass der Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang teilweise auch koaxial verlaufen können. Für die auf dem Prinzip der Triangulation beruhenden 3D Vermessung ist es nämlich ausreichend, wenn objektseitig, d.h. in der Nähe der zu vermessenden Beleuchtungslinien, der Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang räumlich getrennt werden, so dass ein Triangulationswinkel gegeben ist. Eine objektseitige Aufspaltung von Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang kann beispielsweise durch geeignete Strahlteiler oder durch einen Lichtwellenleiter erfolgen, dessen objektseitiges Ende in zwei räumlich getrennte Teilenden aufgespalten ist.
Gemäß Anspruch 9 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich eine Licht leitende Einrichtung auf, welche in dem Abbildungsstrahlengang angeordnet ist und welche zum Übertragen eines zweidimensionales Bildes der Beleuchtungslinien hin zu der Kamera einrichtet ist.
Als Licht leitende Einrichtung kann eine mechanisch relativ starre Stablinsenanordnung verwendet werden, wie sie beispielsweise bei Endoskopen eingesetzt wird. Als Licht leitende Einrichtung kann auch ein endoskopisches System auf der Basis einer Gradientenoptik verwendet werden, bei welcher sich der Brechungsindex in Abhängigkeit vom Radius ändert.
Damit kann innerhalb der Licht leitenden Einrichtung eine Krümmung der Lichtstrahlen erzielt werden, so dass im Ergebnis die Kamera Abbildungsstrahlen aus einem weiten Winkelbereich erfassen kann.
Für die Licht leitende Einrichtung kann ferner eine so genannte Hopkins Optik verwendet werden, welches ebenfalls eine mechanisch weitgehend starre optische Anordnung ist. Eine Hopkins Optik kann beispielsweise eine Art Glasröhre sein, in der Linsen aus Luft eingefügt sind, so dass eine besonders detaillierte Einsicht bei endoskopischen Untersuchungen ermöglicht wird. Dieser Vorteil der besonders detaillierte Einsicht führt auch bei der beschriebenen optischen Messvorrichtung zu einer besonders hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit der 3D Vermessung.
Als Licht leitende Einrichtung eignet sich auch ein so genannter Bildlichtleiter, welcher eine Vielzahl von einzelnen Lichtwellenleitern bzw. Glasfasern umfasst. Ein Bildlichtleiter hat den Vorteil, dass er flexibel ist, so dass die optische Messvorrichtung in einer zumindest teilweise flexiblen Bauweise realisiert werden kann. Dies ermöglicht auch bei gekrümmten Hohlräumen, in die eine starre Messvorrichtung nicht eingebracht werden kann, eine genaue Hohlraumvermessung.
Gemäß Anspruch 10 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich eine Abbildungsoptik auf, welche objektseitig in dem Abbildungsstrahlengang angeordnet ist. Die Abbildungsoptik hat bevorzugt eine besonders kurze Brennweite, so dass die an die Innenwand projizierten Beleuchtungslinien unter einem großen Abbildungswinkel in Bezug auf die Längsachse von der Kamera erfasst werden können. Die Beabstandung benachbarter Beleuchtungslinien ist somit besonders deutlich erkennbar. Eine Optik mit einer derart kurzen Brennweite wird häufig auch als "Fischaugenoptik" bezeichnet, mit der ein sehr weiter Winkelbereich erfasst werden kann.
Der Begriff objektseitig ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass sich die Abbildungsoptik nahe an den zu erfassenden Beleuchtungslinien befindet. Die Beleuchtungslinien stellen nämlich bei der beschriebenen optischen Messvorrichtung das zu erfassende Objekt dar.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Triangulationswinkel insbesondere von dem Abstand der Abbildungsoptik von dem optischen Ablenkungselement bestimmt wird. Die relative Positionierung der Abbildungsoptik zu dem optischen Ablenkungselement bestimmt somit, wie oben bereits dargelegt, die Auflösung der beschriebenen optischen Messvorrichtung.
Gemäß Anspruch 11 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich eine fixierbare Mechanik auf, mit der die optische Messvorrichtung an dem Objekt fixierbar ist.
Sofern die fixierbare Mechanik eine definierte Verschiebung der optischen Messvorrichtung insbesondere entlang der Längsachse ermöglicht, können somit mehrere Messungen durchgeführt werden können, bei denen die optische Messvorrichtung in unterschiedlichen Tiefen in den zu vermessenden Hohlraum eingeführt ist. Somit kann auch ein länglicher Hohlraum wie beispielsweise ein menschlicher Gehörgang in seiner gesamten Länge dreidimensional vermessen werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die optische Messvorrichtung auch in einer miniaturisierten Bauform realisiert werden kann. So kann beispielsweise die optische Messvorrichtung einschließlich der Kamera und der Lichtquelle so klein sein, dass die gesamte optische Messvorrichtung zur Vermessung eines Gehörgangs in denselben eingeführt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass zur 3D Vermessung des menschlichen Gehörgangs, welcher an einer Stelle eine besonders starke Krümmung aufweist, der Ohrkanal nicht oder nur unwesentlich verformt werden muss.
Gemäß Anspruch 12 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich eine Markierung auf, welche von zumindest zwei externen Kameras erfassbar ist. Dies hat den Vorteil, dass die Position der optischen Messvorrichtung durch eine geeignete Bildverarbeitung der von beiden Kameras erfassten Bilder genau bestimmt werden kann. Dabei kann ebenfalls auf bekannte auf dem Prinzip der Triangulation beruhende Verfahren zur Positionsbestimmung zurückgegriffen werden. Selbstverständlich sind dabei die beiden Kameras räumlich derart angeordnet, dass die Markierung aus unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen erfassbar ist.
Bevorzugt sind zumindest zwei Markierungen vorhanden, so dass durch geeignete photogrammetrische Algorithmen der von den beiden Kameras aufgenommenen Bilder sowohl die Position als auch die Orientierung der optischen Messvorrichtung bestimmt werden kann.
Mit dem unabhängigen Patentanspruch 13 wird ein Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums, insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen des Gehörgangs eines menschlichen oder tierischen Lebewesens angegeben. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: (a) Einführen zumindest eines objektseitigen Teils einer oben genannten optischen Messvorrichtung in den zu vermessenden Hohlraum, (b) Strukturieren des Beleuchtungslichts mittels des optischen Ablenkungselements, so dass an der Innenwand des Hohlraums zumindest eine um die Längsachse umlaufende Beleuchtungslinie erzeugt wird, (c) Erfassen der zumindest einen Beleuchtungslinie mittels einer Kamera, und (d) Auswerten der Verzerrung der erfassten zumindest einen Beleuchtungslinie.
Dem genannten Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Projektion einer zylindersymmetrisch strukturierten Beleuchtung auf die Innenwand des zu vermessenden Hohlraums eine schnelle und zugleich präzise Hohlraumvermessung ermöglicht, sofern die Erfassung der zumindest einen erzeugten Beleuchtungslinie unter einem von 0° verschiedenen Triangulationswinkel erfolgt. Aus der Verzerrung der zumindest einen Beleuchtungslinie in einem von der Kamera erfassten zweidimensionalen Bild kann sowohl die Größe als auch die Form des Hohlraums vermessen werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 14 weist das Verfahren zusätzlich die folgenden Schritte auf: (a) Verschieben der optischen Messvorrichtung, (b) erneutes Strukturieren des Beleuchtungslichts mittels des optischen Ablenkungselements, so dass an der Innenwand des Hohlraums zumindest eine um die Längsachse umlaufende weitere Beleuchtungslinie erzeugt wird, (c) Erfassen der zumindest einen weiteren Beleuchtungslinie mittels der Kamera, und (d) Auswerten der Verzerrung der erfassten zumindest einen weiteren Beleuchtungslinie.
Auf diese Weise kann durch eine sukzessive Aufnahme von mehreren gegeneinander verschobenen Erfassungsbereichen auch ein länglicher Hohlraum vollständig vermessen werden. Selbstverständlich kann die optische Messvorrichtung dazu wiederholt, im Prinzip beliebig oft, um jeweils eine vorgegebene Strecke verschoben werden. Sofern benachbarte Erfassungsbereiche eine gewisse Überlappung aufweisen, können beispielsweise in einem zu vermessenden Gehörgang gleiche Strukturen des Ohres erkannt und die entsprechenden Bilder mittels Bildverarbeitung zueinander justiert werden. Einen Gehörgang mit einer Länge von ungefähr 4 cm kann somit je nach Größe der erfassten Teilvolumina mit 100 bis 1000 sich teilweise überlappenden Einzelmessungen vollständig in 3D vermessen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 15 wird die optische Messvorrichtung von einer inneren Messposition hin zu einer äußeren Messposition ver schoben wird. In diesem Zusammenhang bedeutet innerer Messposition, dass der entsprechende Erfassungsbereich der optischen Messvorrichtung weiter innen in dem zu vermessenden Hohlraum liegt als der Erfassungsbereich, welcher der äußeren Messposition der optischen Messvorrichtung zugeordnet ist.
Bei der Vermessung eines Gehörgangs bedeutet dies, dass die optische Messvorrichtung zunächst tief in den Ohrkanal eingeführt wird und nach einer ersten Messung langsam aus dem Ohrkanal herausgezogen wird. Eine Vermessung des Gehörgangs, bei der die optische Messvorrichtung lediglich nach außen hin verschoben wird, hat den Vorteil, dass der Ohrkanal durch einen an der Innenwand des Ohrkanals reibenden Messkopf lediglich in geringer und zudem definierter Art und Weise deformiert wird. Im Vergleich zu dem Fall, bei dem die optische Messvorrichtung nach innen in tiefere Bereiche des Gehörgangs eingeführt wird und somit bei einer Reibung das Gewebe des Ohrkanals zusammen schiebt, verursacht ein langsames Herausziehen des an der Innenwand des Ohrkanals reibenden Messkopfes deutlich geringere Deformationen des zu vermessenden Gehörgangs.
Gemäß Anspruch 16 weist das Verfahren zusätzlich folgenden Schritt auf: Einführen einer eine optisch erfassbare Struktur aufweisenden elastischen Membran zwischen der optischen Messvorrichtung und der Innenwand des zu vermessenden Hohlraums, wobei die elastische Membran flächig an der Innenwand anliegt. Die Struktur ist dabei bevorzugt derart ausgebildet, dass sie bei der Bildauswertung der von der Kamera aufgenommenen Bilder leicht erkannt werden kann. Die Struktur kann beispielsweise eine Vielzahl von punktförmige Marken umfassen.
Die Struktur kann auch unterschiedliche Markierungen aufweisen, so dass eine präzise und insbesondere eindeutige Bildzusammensetzung möglich ist.
Die Verwendung einer optisch strukturierten Membran hat den Vorteil, dass sich bei einer kombinierten Auswertung von verschiedenen Bildfolgen einzelne Fehler nicht akkumulieren. In Verbindung mit der dreidimensionalen Vermessung eines Gehörgangs hat die strukturierte Membran den Vorteil, dass sich unmittelbar an der Hautoberfläche im Gehörgang genügend erkennbare Strukturen für die Bildzusammensetzung befinden.
Die Verwendung der beschriebenen elastischen Membran zur Gehörgang-Vermessung hat zudem den Vorteil, dass hygienische Anforderungen bei der Gehörgang-Vermessung automatisch erfüllt sind. Dies gilt jedenfalls dann, wenn für jede Gehörgang-Vermessung eine neue Membran verwendet wird. Außerdem hat die Membran den Vorteil, dass Störeffekte durch Haare weitgehend eliminiert werden.
Gemäß Anspruch 17 weist das Verfahren zusätzlich folgenden Schritt auf: Aufblasen der eingeführten Membran. Dies hat den Vorteil, dass die strukturierte Membran fest an der Innenwand des zu vermessenden Hohlraums anliegt. Bei der Vermessung von Gehörgängen hat dies den Vorteil, dass eine 3D Vermessung auch von kollabierten Gehörgängen möglich ist, wobei Abbilder der ursprünglichen Gehöhrgangsformen erstellt werden. Auf Basis der 3D Vermessung können somit auch für kollabierte Gehöhrgänge mechanisch passende Hörgeräte oder Otoplastiken hergestellt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. In der Zeichnung zeigen in schematischen Darstellungen
1a eine Querschnittsansicht einer zylindersymmetrischen optischen Messvorrichtung,
1b ein Kamerabild, welches vier Bilder von entsprechenden an die Innenwand des Hohlraums projizierten Beleuchtungslinien zeigt,
1c eine Frontansicht des objektseitigen Endes der in 1 dargestellten optischen Messvorrichtung,
1d die am objektseitigen Ende der in 1 dargestellten optischen Messvorrichtung ausgebildeten Strahlengänge des Beleuchtungslichts und des Abbildungslichts, welche Strahlengänge den Triangulationswinkel bestimmen,
2a die von einem eine Substruktur aufweisenden Ringgitter erzeugten und auf die Innenwand des Hohlraums projizierten Beugungsringe, und
2b eine perspektivische Teilschnittansicht eines zu vermessenden Hohlraums mit den an die Innenwand des Hohlraums projizierten Beleuchtungslinien.
An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass sich in der Zeichnung die Bezugszeichen von gleichen oder von einander entsprechenden Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden.
1a zeigt eine Querschnittsansicht einer optischen Messvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die optische Messvorrichtung 100 weist in Bezug auf eine Längsachse 117 eine zylindersymmetrische Form auf.
Die optische Messvorrichtung 100 weist eine Lichtquelle 110 auf, welche gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Laserdiode 110 ist. Selbstverständlich können auch andere Lichtquellen wie beispielsweise eine Leuchtdiode verwendet werden. Die Laserdiode 110 emittiert monochromati sches Beleuchtungslicht 111, welches auf eine Projektionsoptik 112 trifft, die den Beleuchtungsstrahl 111 aufweitet. Der aufgeweitete Beleuchtungsstrahl 111 trifft auf einen in einem Winkel von 45° in Bezug auf die Längsachse 117 orientierten Strahlteiler 113, so dass abhängig von dem Reflexionsvermögen des Strahlteilers 113 zumindest ein Teil des Beleuchtungslichts 111 in einen Hohlzylinder 115 eingespeist wird, welcher symmetrisch zu der Längsachse 117 angeordnet ist. Um ein Einkoppeln des Beleuchtungslichts 111 in den zentralen Teil des Hohlzylinder 115 zu verhindern, ist zwischen Strahlteiler 113 und Laserdiode 110 ein optisches Abschattungselement 114 angeordnet.
Das von dem Strahlteiler 113 umgelenkte Beleuchtungslicht wird von dem Hohlzylinder 115 in einem Beleuchtungsstrahlengang 116 geführt. Der Beleuchtungsstrahlengang 116 ist zylindersymmetrisch zur der Längsachse 117 ausgebildet. An einem objektseitigen Ende der optischen Messvorrichtung 100 trifft das Beleuchtungslicht auf ein optisches Ablenkungselement 120, welches ebenfalls eine zylindersymmetrische Form aufweist und zylindersymmetrisch um die Längsachse 117 herum angeordnet ist. Das optische Ablenkungselement 120 kann ein optisch diffraktives Element oder ein optisch refraktives Element sein. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das optische Ablenkungselement ein Ringgitter 120.
Das Ringgitter 120 weist eine Substruktur auf, so dass die einfallende Lichtintensität bevorzugt in höhere Beugungsordnungen gelenkt wird. Auf diese Weise wird das Beleuchtungslicht räumlich derart strukturiert, dass konzentrisch zu der Längsachse 117 mehrere Beleuchtungsstrukturen 122 entstehen, die jeweils die Form eines Kegelmantels 122 aufweisen und die auf die Innenwand eines zu vermessenden Hohlraums 125 projiziert werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1a nur eine Beleuchtungsstruktur 122 dargestellt, die einer höheren Beugungsordnung zugeordnet ist.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zu vermessende Hohlraum ein Gehörgang 125 eines Patienten. Der Gehörgang 125 weist typischerweise einen Durchmesser d von ungefähr 4 mm auf.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Messvorrichtung 100 auch zur Vermessung anderer Hohlräume verwendet werden kann. So kann beispielsweise die dreidimensionale Form von Bohrlöchern genau vermessen werden, bevor exakt passende Nieten für eine besonders zuverlässige Nietverbindung, beispielsweise im Flugzeugbau, ausgewählt werden können.
Die Projektion der Beleuchtungsstruktur 122 auf die Innenwand des Hohlraums 125 ergibt eine geschlossene Beleuchtungslinie 128, deren Form von der Größe und der Form des Hohlraums 125 abhängt. Dabei hängt die Schärfe der Beleuchtungslinien 128 von der Fokussierung der Beleuchtungsstrukturen 122 auf die Innenwand ab. Aus diesem Grund kann die Brennweite der Projektionsoptik 112 so angepasst werden, das bei einer ungefähr zu erwartenden Größe des zu vermessenden Hohlraums an der Innenwand des Hohlraums scharfe Beleuchtungslinien 128 erzeugt werden.
Die Größe und die Form der einzelnen Beleuchtungslinien 128 werden von einer Kamera 145 erfasst. Dies erfolgt über ein von den Beleuchtungslinien 128 ausgehendes Abbildungslicht 130. Dieses Abbildungslicht 130 wird mittels einer Abbildungsoptik 132 eingesammelt, die eine besonders kurze Brennweite aufweist. Die Abbildungsoptik 132 kann aufgrund des extrem weiten Aufnahmewinkels auch als Fischauge bezeichnet werden.
Das von der Abbildungsoptik 132 eingesammelte Abbildungslicht 130 wird mittels einer Licht leitenden Einrichtung 135 zu dem bildseitigen Ende der optischen Messvorrichtung 100 geführt. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Licht leitende Einrichtung 135 eine Stablinsenanordnung 135, die beispielsweise auch in der Medizintechnik in endoskopischen Geräten verwendet wird. Die zweite Abbildungsoptik kann einstückig mit der Stablinsenanordnung 135 ausgebildet sein, indem die entsprechende stirnseitige und dem Hohlraum zugewandte Grenzfläche einer entsprechenden Stablinse eine extrem starke Krümmung aufweist.
Die Stablinsenanordnung 135 weist eine Mehrzahl von einzelnen Stablinsen 135a auf, die zusammen eine Länge l von ungefähr 50 mm ergeben. Selbstverständlich kann die Stablinsenanordnung 135 auch eine beliebig andere Länge aufweisen. Die Stablinsenanordnung 135 kann auch eine so genannte Hopkins Linsenanordnung sein.
Die Stablinsenanordnung 135 definiert somit einen Abbildungsstrahlengang 136, welcher sich entlang der Längsachse 117 hin zum bildseitigen Ende der optischen Messvorrichtung 100 erstreckt. Der Abbildungsstrahlengang 136 und der Beleuchtungsstrahlengang 116 sind jeweils zylindersymmetrisch zu der Längsachse 117 angeordnet, wobei sich der Beleuchtungsstrahlengang 116 außerhalb des Abbildungsstrahlengangs 136 befindet.
Selbstverständlich ist auch eine Bauform der optischen Messvorrichtung denkbar, bei welcher Bauform der Abbildungsstrahlengang außerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs verläuft. In jedem Fall muss spätestens am objektseitigen Ende der Messvorrichtung 100 eine räumlich Trennung von Beleuchtungslicht 122 und Abbildungslicht 130 erfolgen, damit die projizierten Beleuchtungslinien 128 unter einem Triangulationswinkel erfasst werden können und somit die 3D Kontur des Hohlraums 125 bestimmt werden kann. Ein Triangulationswinkel ist immer dann gegeben, wenn die Beleuchtung, d.h. hier die Erzeugung der Beleuchtungslinien 128 unter einem anderen Winkel erfolgt als die Beobachtung, d.h. hier die Abbildung der Beleuchtungslinien 128 hin zu der Kamera 145.
Das in der Stablinsenanordnung 135 geführte Abbildungslicht 130 trifft auf den Strahlteiler 113. Der Strahlteiler wird von zumindest einem Teil des Abbildungslichts 130 lediglich mit einem gewissen Parallelversatz durchdrungen. Dieser Parallelversatz hängt dabei von der Dicke, von dem Brechungsindex sowie von der Winkelstellung des Strahlteilers 142 relativ zu der Längsachse 117 ab. Der restliche Teil des Abbildungslichtes 130 wird an dem Strahlteiler reflektiert und trifft als Verlustlicht auf das optische Abschattungselement 114 bzw. auf die Laserdiode 110.
Der Teil des Abbildungslichts 130, welcher den Strahlteiler passiert, trifft auf eine Abbildungsoptik 142 und wird von dieser auf die Kamera 145 abgebildet. Die Kamera 145 nimmt demzufolge ein Kamerabild 148 auf, welches abhängig von der Form des Hohlraums 125 Bilder 149 der Beleuchtungslinien 128 zeigt, die insbesondere im Randbereich des Kamerabildes 148 verzerrt sind. 1b zeigt als Beispiel ein derartiges Kamerabild 148, in dem insgesamt vier Bilder 149 von entsprechenden an die Innenwand des Hohlraums 125 projizierten Beleuchtungslinien 128 zu erkennen sind. Anhand einer quantitativen Analyse dieser Verzerrung, die in einer der Kamera 145 nachgeschalteten Auswerteeinheit 146 erfolgt, kann die Form sowie die Größe des Hohlraums 125 bestimmt werden.
1c zeigt eine Frontansicht des objektseitigen Endes der optischen Messvorrichtung 100. Zu erkennen ist die Abbildungsoptik 132, die von dem Ringgitter 120 umgeben ist.
1d zeigt in einer Querschnittsdarstellung die am objektseitigen Ende der optischen Messvorrichtung 100 ausgebildeten Strahlengänge des Beleuchtungslichts 122 und des Abbildungslichts 130. Für eine bestimmte Beleuchtungslinie 128, die in 1d dargestellt ist, ergibt sich in Bezug auf die Längsachse 117 ein mittlerer Projektions- bzw. Beleuchtungswinkel β. Dabei wird davon ausgegangen, dass das Beleuch tungslicht 122 aus dem kreisringförmigen Ringgitter 120 austritt.
Das Ringgitter 120 weist einen mittleren Radialabstand r von der Längsachse 117 auf. In entsprechender Weise ergibt sich für die dargestellte Beleuchtungslinie 128 in Bezug auf die Längsachse 117 ein Abbildungswinkel α. Dabei wird berücksichtigt, dass das Abbildungslicht 130 von der mittig auf der Längsachse 117 angeordneten Abbildungsoptik 132 eingesammelt wird.
Der Triangulationswinkel θ ergibt sich aus der Differenz der beiden Winkel α und β (θ = α – β). Selbstverständlich hängt, wie aus 1d ersichtlich, dieser Triangulationswinkel θ auch von dem Längsabstand Δl ab. Dieser Längsabstand Δl ergibt sich aus dem Abstand parallel zur Längsachse 117 zwischen dem Ringgitter 120 und der Abbildungsoptik 132.
2a zeigt ein am Ende eines Hohlzylinders 215 angeordnetes Ringgitter 220. In dem Hohlzylinder 215 wird versetzt zu der Längsachse 217 ein Beleuchtungsstrahl 216 geführt, der von dem Ringgitter 220 in zylindersymmetrischer Weise räumlich strukturiert wird, so dass kegelmantelförmige Beleuchtungsstrukturen 222 erzeugt werden. Die Beleuchtungsstrukturen 222 werden auf die Innenwand eines Hohlraums 225 bzw. eines Gehörgangs 225 projiziert. Im Ergebnis entstehen, wie oben bereits beschrieben, Beleuchtungslinien 228, die in geschlossener Weise die Längsachse 217 umlaufen.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Ringgitter 220 eine Substruktur auf, die derart ausgebildet ist, dass die auf das Ringgitter 220 einfallende Intensität an Beleuchtungslicht 216 selektiv auf sechs weitgehend gleich intensive Beugungsordnungen verteilt wird. Dabei haben die Beugungsstrukturen niedrigerer Ordnung keine oder lediglich eine vernachlässigbare Intensität. Insbesondere die nullte Beugungsordnung ist unterdrückt, welche parallel zu der Längsachse 217 verläuft. Im Ergebnis führt dies dazu, dass sechs Beleuchtungslinien 228 an der Innenwand des Hohlraums 225 erzeugt werden. Die räumliche Vermessung dieser Beleuchtungslinien 228 erfolgt in gleicher Weise, wie oben anhand von 1a beschrieben.
2b zeigt eine perspektivische Teilschnittansicht eines zu vermessenden Hohlraums 225 mit den an die Innenwand des Hohlraums 225 projizierten Beleuchtungslinien 228. Das die Beleuchtungslinien 228 erzeugende Beleuchtungslicht ist mit dem Bezugszeichen 222 gekennzeichnet. Das Ringgitter ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Ferner ist der Hohlzylinder 215 zu erkennen, in dem das Beleuchtungslicht 216 bis hin zum Ringgitter in zylindersymmetrischer Weise geführt ist.
Die Beleuchtungslinien 228 werden unter Verwendung der zweiten Abbildungsoptik 232 von der nicht dargestellten Kamera erfasst, indem das entsprechende von den Beleuchtungslinien 228 ausgesandte Abbildungslicht 230 eingesammelt wird.
Die Strahlengänge des Beleuchtungslichts ausgehend von der als Lichtquelle verwendeten Laserdiode und des Abbildungslichts bis hin zu der Kamera verlaufen wie oben anhand von 1 beschrieben. Auch die Bildauswertung erfolgt in entsprechender Weise.
Um auch einen länglichen Hohlraum 225 vollständig vermessen zu können, können sukzessive mehrere Bildaufnahmen von gegeneinander verschobenen Erfassungsbereichen innerhalb des Hohlraums 225 vermessen werden. Dabei kann die optische Messvorrichtung im Prinzip beliebig oft um jeweils eine vorgegebene Strecke verschoben werden. Sofern benachbarte Erfassungsbereiche eine gewisse Überlappung aufweisen, können beispielsweise in einem zu vermessenden Gehörgang gleiche Strukturen des Ohres erkannt und die entsprechenden Bilder mittels Bildverarbeitung zueinander justiert werden.
Ein definiertes Verschieben der optischen Messvorrichtung kann auf einfache Weise dadurch realisiert werden, dass eine fixierbare Mechanik 260 verwendet wird, die mittels Fixierelementen 261 definiert an dem Objekt befestigbar ist, in welchem der zu vermessende Hohlraum 225 ausgebildet ist. Die fixierbare Mechanik 260 erlaubt dann eine definierte Bewegung 265 bevorzugt entlang der Längsachse der optischen Messvorrichtung. Durch ein nicht dargestelltes Wegmesssystem kann die Position der optischen Messvorrichtung relativ zu dem Objekt, beispielsweise dem Kopf eines Patienten, stets genau bestimmt und bei der Auswertung der von der Kamera aufgenommenen Bilder berücksichtigt werden.
Ebenso kann die Position der optischen Messvorrichtung auch mittels der auf dem Prinzip der Triangulation beruhenden optischen Erfassung einer Markierung 270a ermittelt werden. Dabei wird die Markierung 270a von zwei in einem Winkel zueinander angeordneten Kameras, einer ersten Kamera 272a und einer zweiten Kamera 272b erfasst. Durch eine entsprechend kombinierte Bildauswertung der von beiden Kameras 272a, 272b erfassten Bilder kann die räumliche Position der Markierung 270a genau bestimmt werden.
Er wird darauf hingewiesen, dass die optische Messvorrichtung auch mit einer zweiten Markierung 272b versehen sein kann. Somit kann durch geeignete photogrammetrische Algorithmen der von den beiden Kameras 270a, 270b aufgenommenen Bilder sowohl die Position als auch die Orientierung der optischen Messvorrichtung bestimmt werden.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.

100: optische Messvorrichtung
110: Lichtquelle, Laserdiode
111: Beleuchtungslicht
112: Projektionsoptik, Strahlaufweiter
113: Strahlteiler
114: optisches Abschattungselement
115: Hohlzylinder
116: Beleuchtungsstrahlengang
117: Längsachse
120: optisches Ablenkungselement, optisch diffraktives Element, Ringgitter
122: Beleuchtungsstruktur, Kegelmantel
125: Hohlraum, Gehörgang
128: Beleuchtungslinie
130: Abbildungslicht
132: Abbildungsoptik, Fischauge
135: Licht leitende Einrichtung/Stablinsenanordnung
135a: Stablinse
136: Abbildungsstrahlengang
142: Abbildungsoptik
145: Kamera
146: Auswerteeinheit
148: Kamerabild
149: Bilder der Beleuchtungslinien 128
d: Durchmesser
l: Länge
r: Radialabstand: "Austritt Beleuchtungslicht" – Längsachse 117
Δl: Längsabstand: Ringgitter 120 – Abbildungsoptik 132
α: Abbildungswinkel
β: Beleuchtungswinkel
θ: Triangulationswinkel
215: Hohlzylinder
216: Beleuchtungsstrahlengang
217: Längsachse
220: Ringgitter
222: Beleuchtungsstruktur, Kegelmantel
225: Hohlraum, Gehörgang
228: Beleuchtungslinie
230: Abbildungslicht
232: zweite Abbildungsoptik, Fischauge
260: fixierbare Mechanik
261: Fixierelement
265: Bewegungsrichtung
270a: erste Markierung
270b: zweite Markierung
272a: erste Kamera
272b: zweite Kamera

Claims

Optische Messvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums (125, 225), insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen des Gehörgangs (125, 225) eines menschlichen oder tierischen Lebewesens, die optische Messvorrichtung (100) aufweisend • eine Lichtquelle (110), eingerichtet zum Aussenden von Beleuchtungslicht (111) entlang eines Beleuchtungsstrahlengangs (116, 216), • ein optisches Ablenkungselement (120), welches das ausgesendete Beleuchtungslicht (111) räumlich derart strukturiert, dass an der Innenwand zumindest eine um die Längsachse (117, 217) umlaufende Beleuchtungslinie (128, 228) erzeugt wird, und • eine Kamera (145), welche über einen Abbildungsstrahlengang (136) die zumindest eine Beleuchtungslinie (128, 228) unter einem Triangulationswinkel (θ) erfasst.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 2, zusätzlich aufweisend • eine Auswerteeinheit (146), welche der Kamera (145) nachgeschaltet ist und welche derart eingerichtet ist, dass durch eine Bildverarbeitung der von der Kamera (145) erfassten zumindest einen Beleuchtungslinie (149) die Größe und die Form zumindest eines Teils des Hohlraums (125, 225) automatisch bestimmbar ist.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der das optische Ablenkungselement (120) eine in Bezug auf die Längsachse (117, 217) zylindersymmetrische Form aufweist.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das optische Ablenkungselement (120) ein optisch diffraktives Element und/oder ein optisch refraktives Element ist.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 4, bei der das optische Ablenkungselement ein optisches Gitter (120) ist, welches eine Substruktur aufweist.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zusätzlich aufweisend • eine Projektionsoptik (112), welche in dem Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zusätzlich aufweisend • einen in der Längsachse (117, 217) in einem schrägen Winkel angeordneten Strahlteiler (113), – welcher den Beleuchtungsstrahlengang (116) derart umlenkt, dass ein objektseitiger Abschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs (116) parallel zu der Längsachse (117, 217) verläuft oder – welcher den Abbildungsstrahlengang derart umlenkt, dass ein bildseitiger Abschnitt des Abbildungsstrahlengangs winklig zur Längsachse verläuft.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der zumindest ein Abschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs (116), in dem das Beleuchtungslicht (111) parallel zur Längsachse (117, 217) geführt ist, um den mittig in der Längsachse (117, 217) verlaufenden Abbildungsstrahlengang (136) herum ausgeformt ist.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zusätzlich aufweisend • eine Licht leitende Einrichtung (135), welche in dem Abbildungsstrahlengang (136) angeordnet ist und welche zum Übertragen eines zweidimensionales Bildes (148) der Beleuchtungslinien (128, 228) hin zu der Kamera (145) einrichtet ist.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, zusätzlich aufweisend • eine Abbildungsoptik (132), welche objektseitig in dem Abbildungsstrahlengang (136) angeordnet ist.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, zusätzlich aufweisend • eine fixierbare Mechanik (260, 261), mit der die optische Messvorrichtung an dem Objekt fixierbar ist.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, zusätzlich aufweisend • eine Markierung (270a), welche von zumindest zwei externen Kameras (272a, 272b) erfassbar ist.
Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums (125, 225), insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen des Gehörgangs (125, 225) eines menschlichen oder tierischen Lebewesens, das Verfahren aufweisend die folgenden Schritte • Einführen zumindest eines objektseitigen Teils einer optischen Messvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in den zu vermessenden Hohlraum (125, 225), • Strukturieren des Beleuchtungslichts (111) mittels des optischen Ablenkungselements (120), so dass an der Innenwand des Hohlraums (125, 225) zumindest eine um die Längsachse (117, 217) umlaufende Beleuchtungslinie (128, 228) erzeugt wird, • Erfassen der zumindest einen Beleuchtungslinie (128, 228) mittels einer Kamera (145), und • Auswerten der Verzerrung der zumindest einen erfassten Beleuchtungslinie (149).
Verfahren nach Anspruch 13, zusätzlich aufweisend die folgenden Schritte • Verschieben der optischen Messvorrichtung (100), • erneutes Strukturieren des Beleuchtungslichts (111) mittels des optischen Ablenkungselements (120), so dass an der Innenwand des Hohlraums (125, 225) zumindest eine um die Längsachse (117, 217) umlaufende weitere Beleuchtungslinie (128, 228) erzeugt wird, • Erfassen der zumindest einen weiteren Beleuchtungslinie (128, 228) mittels der Kamera (145), und • Auswerten der Verzerrung der erfassten zumindest einen weiteren Beleuchtungslinie (128, 228).
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die optische Messvorrichtung (100) von einer inneren Messposition hin zu einer äußeren Messposition verschoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, zusätzlich aufweisend • Einführen einer eine optisch erfassbare Struktur aufweisenden elastischen Membran zwischen der optischen Messvorrichtung und der Innenwand des zu vermessenden Hohlraums, wobei die elastische Membran flächig an der Innenwand anliegt.
Verfahren nach Anspruch 16, zusätzlich aufweisend • Aufblasen der eingeführten Membran.