DE102009043538A1

DE102009043538A1 - Messendoskop

Info

Publication number: DE102009043538A1
Application number: DE102009043538A
Authority: DE
Inventors: Anton Dr. Schick
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-03-31
Also published as: US20120188353A1; EP2482708A1; JP2013506470A; JP5404933B2; US9211052B2; WO2011039254A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Endoskop zur Messung der Topographie einer Oberfläche (4). Das Endoskop weist hierbei eine Projektionseinheit (6) und eine Abbildungseinheit (8) auf. Das Endoskop zeichnet sich dadurch aus, dass eine Objektiveinheit (10) vorgesehen ist, die sowohl Bestandteil der Projektionseinheit (6) als auch der Abbildungseinheit (8) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Endoskop zur Messung der Topographie einer Oberfläche nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Vermessung der Topographie einer Oberfläche nach Anspruch 8.
Klassische und gut erforschte Techniken zur Messung von dreidimensionalen Geometrien basieren häufig auf der Grundlage der aktiven Triangulation. Jedoch wird es in beengter Umgebung wie z. B. im menschlichen Ohrkanal oder in Bohrlöchern immer schwieriger, die Triangulation als solche zu realisieren. Insbesondere im Bereich der messenden Endoskopie ist es nicht einfach, die räumliche Anordnung von Sende- und Empfangseinheit bzw. von Projektions- und Abbildungseinheit unter den entsprechenden Winkeln zu positionieren. Darüber hinaus ist es in der Regel nicht möglich, längere oder größere Hohlräume in einem Bild aufzunehmen. D. h., es ist erforderlich, räumlich überlappende Bereiche dreidimensional zeitlich hintereinander zu vermessen, um sie anschließend über Datenverarbeitung zu einem 3D-Gebilde zusammenzufassen (3D-Datasticking). Je größer hierbei die Überlappungsbereiche sind, desto präziser kann die Verknüpfung von Einzelaufnahmen im 3D-Raum erfolgen. Dies setzt ebenso voraus, dass die Einzelaufnahmen an sich bereits möglichst viele Messpunkte mit festem Bezug zueinander aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Endoskop zur Messung von Oberflächentopographien bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik einen kleineren Bauraum beansprucht und in der Lage ist, beispielsweise bei der Verwendung der aktiven Triangulation größere Messbereiche zu erfassen.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Endoskop zur Messung der Topographie einer Oberfläche mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Endoskop zur Messung der Topographie einer Oberfläche nach dem Patentanspruch 1 weist eine Projektionseinheit und eine Abbildungseinheit auf. Das Endoskop zeichnet sich dadurch aus, dass eine Objektiveinheit vorgesehen ist, die sowohl Bestandteil der Projektionseinheit als auch der Abbildungseinheit ist.
Durch eine integrierte Bauweise von Projektionseinheit und Abbildungseinheit, die gemeinsam eine Objektiveinheit nutzen, kann der benötigte Bauraum für beide Einheiten, die Abbildungseinheiten und die Abbildungseinheiten mit Projektionseinheit, deutlich reduziert werden, was dazu führt, dass auch das Endoskop an sich kleiner ausgestaltet werden kann. Ferner können bei ähnlicher Bauraumgröße zur Messung der Topographie der Oberfläche größere Messbereiche erfasst werden.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung umfasst die Projektionseinheit eine Projektionsstruktur, die Abbildungseinheit umfasst ein Abbildungsmedium. Das Abbildungsmedium und die Projektionsstruktur liegen dabei in bevorzugter Weise zentrisch zu einer optischen Achse. Diese Maßnahme trägt ebenfalls zur Einsparung von Bauraum bei.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Projektionsstruktur in Form eines Dias ausgestaltet. Die Projektionsstruktur bzw. in der speziellen Form das Dia weist in einem äußeren Bereich konzentrische Farbringe auf. Die konzentrischen Farbringe dienen zu einer Farbcodierung und führen zu unterschiedlich farbigen Projektionsstrahlen, deren Reflektionsmuster an der Topographie der Oberfläche wiederum auf die Beschaffenheit der Oberfläche schließen lässt.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Projektionsstruktur einen zentralen Bereich auf, der bezüglich der optischen Achse von dem Abbildungsmedium verdeckt wird. In diesem zentralen Bereich der Projektionsstruktur, insbesondere des Dias, sind üblicherweise keine konzentrischen Farbringe angebracht. Diese von Farbringen freie Zone der Projektionsstruktur kann dazu genutzt werden, darin platzsparend das Abbildungsmedium auf derselben optischen Achse unterzubringen. Dabei kann das Abbildungsmedium und die Projektionsstruktur grundsätzlich in einer Ebene liegen, sie können aber auch bezüglich der optischen Achse parallel zueinander verschoben sein.
Weiterhin weist die Projektionseinheit in einer Ausgestaltungsform der Erfindung neben der Objektiveinheit eine bezüglich der optischen Achse rotationssymmetrische, ringförmige Spiegeloptik auf. Diese ringförmige Spiegeloptik erlaubt es, Projektionsstrahlen anders abzulenken als durch die Objektiveinheit eintreffende Abbildungsstrahlen. Hierbei ist es zweckmäßig, dass Projektionsstrahlen die Objektiveinheit durchlaufen und von der ringförmigen Spiegeloptik umgelenkt werden. Demgegenüber werden Abbildungsstrahlen, die von der Oberfläche reflektiert werden – also reflektierte Projektionsstrahlen – und die auf die Objektiveinheit treffen, nicht durch die ringförmige Spiegeloptik abgelenkt. Die ringförmige Spiegeloptik erlaubt es daher, Projektionsstrahlen und Abbildungsstrahlen in einen unterschiedlichen Strahlengang zu lenken.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Projektionseinheit und einer Abbildungseinheit eines Endoskops mit entsprechendem Strahlengang,
2 eine detailliertere Darstellung der kombinierten Projektionseinheit und Abbildungseinheit und
3 eine Anordnung von Linsen, Abbildungsmedium und Projektionsstruktur in der kombinierten Abbildungseinheit-Projektionseinheit.
In 1 ist eine schematische Darstellung eines Endoskops 2 (hier ohne Endoskopaußenwand dargestellt) mit einer Projektionseinheit 6 und einer Abbildungseinheit 8 gegeben. Ferner sind schematisch Strahlengänge von Projektionsstrahlen 26 und Abbildungsstrahlen 28 dargestellt. Die Projektionseinheit 6 und die Abbildungseinheit 8 sind in der Weise integriert, dass sowohl die Projektionseinheit als auch die Abbildungseinheit eine gemeinsame Objektiveinheit 10 (vgl. 2) umfassen. Ferner weist die Projektionseinheit 6 eine ringförmige Spiegeloptik 24 auf, die dazu dient, Projektionsstrahlen 26 umzulenken.
In 1 sind Projektionsstrahlen 26 mit einer strichpunktierten Linie dargestellt, Abbildungsstrahlen 28 mit einer gestrichelten Linie. Die gestrichelten Linien 28 bzw. die strichpunktierten Linien 26 zeigen jeweils die äußeren Begrenzungen eines Projektionsbereiches 32 bzw. eines Gesichtsfeldes 30.
Bei der Darstellung nach 1 ergeben sich aus der angewandten Optik zwei Projektionsbereiche 32 und ein Gesichtsfeld 30. Zur Vermessung der Topographie der Oberfläche 4, die hier ebenfalls schematisch als zylindrischer Kanal dargestellt ist, wird die Methode der Triangulation angewandt. Hierzu werden von der Projektionseinheit 6 die Projektionsstrahlen 26, die gegebenenfalls unterschiedliche Farbspektren umfassen (siehe unten), ausgesandt. Diese Projektionsstrahlen 26 treffen auf die Oberfläche 4 und werden dort reflektiert. Die reflektierten Projektionsstrahlen werden als Abbildungsstrahlen 28 bezeichnet. Die Abbildungseinheit wiederum nimmt die Abbildungsstrahlen auf und leitet sie auf ein Abbildungsmedium, das wiederum zur Auswertung der Abbildungsstrahlen dient.
Der Bereich, der sowohl von den Projektionsstrahlen 26 bzw. vom Projektionsbereich 32 und von dem Gesichtsfeld 30 eingeschlossen wird, nennt man den Messbereich 34. Der Messbereich 34 ist somit der Bereich, in dem sich der Projektionsbereich 30 und das Gesichtsfeld 32 schneiden. Eine Vermessung durch die Triangulationsmethode kann nur in dem Bereich erfolgen, in dem sich Projektionsstrahlen 26 und Gesichtsfeld 30 schneiden. Je größer der Messbereich 34 ausgestaltet ist, desto größer ist der Bereich, der mit einer Messung durchgeführt werden kann. Insbesondere in beengten Hohlräumen ist es häufig schwierig, durch bekannte Methoden das Feld der Projektionsstrahlen 26 (Projektionsbereich 32) und das Gesichtsfeld 30 so auszugestalten, dass ein hinreichend großer Messbereich 34 gebildet wird.
In 2 ist eine detailliertere Darstellung der Projektionseinheit 6 und der Abbildungseinheit 8 mit deren gemeinsamen Objektiveinheit 10 gegeben. Das Endoskop 2 weist eine optische Achse 16 auf, die durch den Mittelpunkt des Endoskops 2 läuft. Bezüglich der 2 verläuft eine Blickrichtung des Endoskops von links nach rechts. Eine hier nicht dargestellte Lichtquelle, die bevorzugt in Form eines Lichtwellenleiters mit einer Kollimationsoptik oder ein Lichtleiterbündel oder eine Lichtquelle, wie beispielsweise eine LED, ausgestaltet ist, sendet Lichtstrahlen durch eine Projektionsstruktur 12, die in diesem Fall in Form eines Dias 18 ausgestaltet ist. Das Dia 18 ist ringförmig ausgestaltet und weist dabei in einem äußeren Bereich konzentrische Farbringe 20 auf. Das Dia 18, das in der 2 bezüglich des Strahlenganges als Strich dargestellt ist, ist nebenstehend zur besseren Veranschaulichung ein weiteres Mal in einer Draufsicht dargestellt.
Die Lichtstrahlen, die durch den äußeren Bereich des Dias 18, also durch die farbigen konzentrischen Ringe verlaufen, werden als Projektionsstrahlen bezeichnet. Die Projektionsstrahlen verlaufen durch die gemeinsame Objektiveinheit 10, werden dort entsprechend umgelenkt, treffen auf eine, der Objektiveinheit 10 bzw. der Projektionsoptik 6 vorgelagerten ringförmigen Spiegeloptik 24. Die Spiegeloptik 24 lenkt die Projektionsstrahlen 26 wiederum um, lenkt die Projektionsstrahlen rotationssymmetrisch seitlich aus einer Wand 38 des Endoskops 2 aus, wonach sie auf die zu untersuchende Oberfläche 4 treffen. An der Oberfläche 4 werden die Projektionsstrahlen 26 reflektiert und werden von nun als Abbildungsstrahlen 28 bezeichnet. Der Winkel, den die Projektionsstrahlen 26 und die Abbildungsstrahlen 28 einschließen, wird als Triangulationswinkel 36 bezeichnet.
Die Abbildungsstrahlen 28 werden zurückreflektiert und verlaufen abgeschattet von der Spiegeloptik 24 durch die Objektiveinheit 10, wobei die Objektiveinheit 10 derart ausgestaltet ist, dass nicht abgelenkte Strahlen bezüglich der optischen Achse 16 zentrumsnah auf ein Abbildungsmedium 14, das hier in Form eines Sensorchips 15, wie er in Digitalkameras eingesetzt ist, auftrifft. Nach der Darstellung in 2 liegt der Sensorchip 15 und das Dia 18 auf einer optischen Achse und in einer Ebene. Dies ist ein Sonderfall, wie anhand der 3 veranschaulicht ist, wo der Kamerachip ein Stück vor dem Dia angeordnet ist. Der Kamerachip 15 ist kleiner als das Dia 18 und befindet sich bezüglich der optischen Achse 16 in einem zentralen Bereich des Dias 18. Der zentrale Bereich des Dias 18 ist nicht mit farbigen Ringen 20 ausgefüllt und muss nicht von den Lichtstrahlen durchstrahlt werden. Die Anordnung des Sensorchips 15 behindert somit den Strahlengang der Projektionsstrahlen 28 nicht.
Im Folgenden sei kurz auf die Methode der Triangulation unter Verwendung von Farbcodierung eingegangen. Die auf eine unregelmäßige Topographie der Oberfläche 4 (die hier nicht veranschaulicht ist) projizierte Farbstruktur erscheint unter einem vom Projektionswinkel verschiedenen Betrachtungswinkel (Triangulationswinkel) verzerrt. Das von der Abbildungsoptik (Objektiveinheit 10) betrachtete verzerrte Muster wird auf das Abbildungsmedium 12 abgebildet. Hierbei handelt es sich um eine planare Abbildung der dreidimensionalen Oberfläche.
Durch eine geeignete Auswertemethode kann rechnerisch durch die Bewertung der Farbübergänge und der Verzerrung der Farblinien die Topographie der Oberfläche 4 errechnet werden. Die Ausgestaltung des Dias mit farbigen konzentrischen Kreisen ist hierbei lediglich eine der vorteilhaften Ausgestaltungen. Diese bietet sich insbesondere bei einem Lichtwellenleiter mit einem kreisförmigen Querschnitt an. Grundsätzlich können auch andere Codierungsmuster, wie beispielsweise Linienmuster, angewandt werden.
In 3 ist noch einmal in etwas vergrößerter schematischer Darstellung die kombinierte Projektionseinheit 6 und Abbildungseinheit 8 dargestellt. Von links nach rechts ist hierbei zunächst das Dia 18 zu erkennen, das in einem äußeren Bereich konzentrische Farbringe 20 aufweist, ferner ist der nicht mit Farbringen versehene zentrale Bereich 22 dargestellt. Vor dem Dia 18 befindet sich der Sensorchip 15. Vor dem Sensorchip wiederum befindet sich die Objektiveinheit 10, dem die ringförmige Spiegeloptik 24 vorgelagert ist. Das Endoskop an sich besteht bevorzugt aus einem transparenten Glas, das dazu geeignet ist, die Projektionsstrahlen 26 an der Endoskopwand 38 austreten zu lassen. Ein transparenter Kunststoff kann ebenfalls als zweckmäßiges Endoskopmaterial dienen. Das Endoskop weist in der Regel einen Durchmesser von 3 bis 5 mm auf. Die kombinierte Abbildungs-Projektionseinheit 6, 8 weist in der Regel eine Länge von 8 bis 12 mm auf.
Üblicherweise wird der Sensorchip zur Aufnahme der Abbildungsstrahlen 28 mit einer Frequenz von 10 Hz belichtet. Die Shutteröffnungszeit beträgt dabei etwa 10 ms. (Shutteröffnungszeit ist die Zeit, in der die auf den Sensorchip auftreffenden Abbildungsstrahlen 28 gemessen werden). Das bedeutet, dass bei einer Belichtungsfrequenz von 10 Hz zwischen den Shutteröffnungszeiten eine Pause von 90 ms liegt, während dieser Zeit werden die Sensorchipaufnahmen durch eine Berechnungssoftware ausgewertet.
Die bisher beschriebene Anordnung des Messendoskops 2 kann grundsätzlich für alle Messungen in engen Hohlräumen angewandt werden. Eine besonders vorteilhafte Anwendung des Endoskops 2 liegt in Form eines Otoskops vor, das in ein Ohr eingeführt wird und zur Vermessung des Gehörkanals bzw. zur Vermessung der Ohrmuschel dient. Die bereits beschriebene, so genannte Color Coded Triangulation hat hierfür den Vorteil, dass die Projektion eines kodierten Farbmusters bei nur einer Bildaufnahme der Empfangseinheit (Abbildungseinheit 8) ausreichend ist, um die 3D-Form eines Objektes zu berechnen. Dies bedeutet, dass die einfache Projektion in Analogie zur Diaprojektion angewendet werden kann und keine sequentielle Projektion verschiedener Projektionsstrukturen notwendig ist. Dies hat zudem den Vorteil, dass ein freihändiges Scannen durch einen Arzt nahezu verwacklungsfrei möglich ist.
Andere Anwendungen des Endoskops 2 können in einem technischen Bereich liegen. Wenn beispielsweise zur Qualitätssicherung Bohrungen oder andere Hohlräume exakt vermessen werden müssen, ist die Anwendung eines derartig bauraumsparenden Endoskops 2 zweckmäßig. Beispielsweise bei Nietbohrungen, die zur Nietung von Flugzeugbauteilen dienen, werden sehr hohe Anforderungen an deren Topographie gestellt. Durch ein derartiges erfindungsgemäßes Endoskop können hochgenaue Topographiemessungen in sehr engen Bohrungen erfolgen.

Claims

Endoskop zur Messung der Topographie einer Oberfläche (4), mit einer Projektionseinheit (6) und einer Abbildungseinheit (8), dadurch gekennzeichnet, dass eine Objektiveinheit (10) vorgesehen ist, die sowohl Bestandteil der Projektionseinheit (6) und der Abbildungseinheit (8) ist.
Endoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Projektionsstruktur (12) der Projektionseinheit (6) und ein Abbildungsmedium (14) der Abbildungseinheit (8) auf einer optischen Achse (10) liegen.
Endoskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsstruktur (12) in Form eines Dias (18) ausgestaltet ist.
Endoskop nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsstruktur (12) in einem äußeren Bereich konzentrische Farbringe (20) aufweist.
Endoskop nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentraler Bereich (22) der Projektionsstruktur (12) bezüglich der optischen Achse (16) von dem Abbildungsmedium (14) verdeckt ist.
Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionseinheit (6) neben der Objektiveinheit (10) eine bezüglich der optischen Achse (16) rotationssymmetrische, ringförmige Spiegeloptik aufweist.
Endoskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Projektionsstrahlen (26) die Objektiveinheit (10) durchlaufen und die ringförmige Spiegeloptik (24) die Projektionsstrahlen (26) umlenkt.
Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abbildungsstrahlen (28) in Form von an der Oberfläche (4) reflektierten Projektionsstrahlen (26) ohne Umlenkung an der ringförmigen Spiegeloptik (24) durch Objektiveinheit (10) verlaufen und auf das Abbildungsmedium (14) treffen.