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Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Endoskopsystem, insbesondere zur Werkstückuntersuchung, insbesondere Oberflächenuntersuchung.
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Zur Werkstückuntersuchung ist es bekannt, ein Streifenmuster, beispielsweise entsprechend einer Gray-Code-Sequenz, auf eine zu vermessende Oberfläche eines Werkstücks zu projizieren und das projizierte Streifenbild insbesondere von einem anderen Ort als dem Projektionsort aufzunehmen. Aus einem oder mehreren so aufgenommenen Bildern kann dann eine Oberflächenstruktur des zu untersuchenden Objekts bestimmt werden.
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Um auch schwer zugängliche Stellen eines zu untersuchenden Objekts, beispielsweise eines Werkstücks, vermessen zu können, ist aus C. Orth et al., „Optische Inspektion von Blechmassivumformteilen und -werkzeugen mit feinen Nebenformelelementen", Technisches Messen 79 (2012) ein Endoskopsystem bekannt, bei welchem ein erstes Faserbündel für die Projektion eines Streifenmusters und ein zweites Faserbündel zur Bildaufnahme verwendet wird. Zudem wird in dieser Druckschrift die Verwendung starrer Endoskope in Erwägung gezogen, dann aber verworfen.
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Die Verwendung von Faserbündeln hat für derartige Anwendungen mit Streifenprojektion insbesondere den Nachteil, dass eine erreichbare Auflösung abhängig von den Fasern in dem Faserbündel relativ gering ist, beispielsweise in der Größenordnung von 220 × 220 Bildpunkten (entsprechend ca. 50.000 Fasern pro Faserbündel). Dies kann unter Umständen unzureichend sein, um das Streifenmuster mit hinreichender Genauigkeit zu projizieren und dann auch mit hinreichender Genauigkeit aufzunehmen und auszuwerten.
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Ein Aufbau mit starren Endoskopen könnte grundsätzlich eine höhere Auflösung bieten. Allerdings wäre ein solcher Aufbau durch die Verwendung von zwei starren Endoskopen anstelle von zwei Faserbündeln für Projektion und Bildaufnahme unter Umständen relativ unhandlich.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein Endoskopsystem insbesondere für Oberflächenuntersuchungen bereitzustellen, bei welchem eine höhere Auflösung erreicht werden kann, wobei gleichzeitig der Aufbau möglichst kompakt gehalten werden soll.
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Diesbezüglich wird ein Endoskopsystem nach Anspruch 1 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
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Erfindungsgemäß wird ein Endoskopsystem bereitgestellt, umfassend ein starres Endoskop, einen Projektor zum Erzeugen eines Musters, z.B. eines Streifenmusters, wobei der Projektor mit dem Endoskop gekoppelt ist, um über das Endoskop ein Werkstück beleuchten zu können, und eine Kameraeinrichtung, wobei die Kameraeinrichtung mit dem Endoskop gekoppelt ist, um Licht von dem Werkstück über das Endoskop erhalten zu können.
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Durch die Verwendung eines starren Endoskops mit einer entsprechenden Optik kann eine höhere Auflösung als bei Faser-basierten Systemen erreicht werden. Zudem kann durch die Verwendung eines einzigen Endoskops sowohl für die Projektion, als auch für die Bildaufnahme ein kompakterer Aufbau verglichen mit Systemen, welche getrennte Endoskope benutzen, erreicht werden.
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Das Endoskopsystem kann weiter mindestens ein Polarisationselement zum Trennen von Licht, welches von dem Projektor zu dem Werkstück zu leiten ist, von Licht, welches von dem Werkstück zu der Kamera zu leiten ist, umfassen.
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Dabei kann das mindestens eine Polarisationselement ein Paar von polarisationsabhängigen Strahlteilern umfassen.
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Durch die Verwendung von polarisationsabhängigen Strahlteilern kann dabei auf einfache Weise Licht, das der Projektion zugeordnet ist, von Licht, das der Bildaufnahme zugeordnet ist, getrennt werden.
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Das Polarisationselement kann zudem ein polarisationsveränderndes Element umfassen, welches zwischen einem der polarisationsabhängigen Strahlteiler und einem Ende des Endoskops, welches dem Werkstück zuzuwenden ist, angeordnet ist.
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Das polarisationsverändernde Element kann insbesondere eine λ/2-Platte umfassen.
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Ein Strahlteiler des Paares von Strahlteilern kann verkippt sein, oder es kann auf andere Weise eine Verkippung von Strahlengängen zueinander erzielt werden, um eine Überdeckung eines Aufnahmebereichs der Kameraeinrichtung mit einem Projektionsbereich des Projektor zu erhöhen.
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Zusätzlich oder alternativ kann mindestens ein dezentriertes optisches Element bereitgestellt sein, um eine Überdeckung des Aufnahmebereichs mit dem Projektionsbereich des Projektors zu erhöhen.
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Der Aufnahmebereich der Kameraeinrichtung kann insbesondere in dem Beleuchtungsbereich des Projektors enthalten sein.
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Das starre Endoskop kann Hopkins-Stablinsen, aber auch andere Optiken, umfassen.
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Das starre Endoskop kann auch mindestens einen Umlenkspiegel zur Bereitstellung einer Abwinkelung umfassen.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schemaansicht eines Endoskopsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
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2 eine Querschnittsansicht eines Endoskopsystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise bedeutet eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen oder Elementen nicht, dass alle diese Merkmale oder Elemente zur Implementierung von Ausführungsbeispielen notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale oder Elemente und/oder alternative Merkmale oder Elemente aufweisen. Bei anderen Ausführungsbeispielen können zusätzlich oder alternativ weitere Merkmale oder Elemente bereitgestellt werden. Merkmale und Elemente können verschiedene Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden, sofern nichts anderes angegeben ist. Beispielsweise sind Modifikationen oder Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar, sofern nichts anderes angegeben ist.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Endoskopsystems zur Untersuchung eines Werkstücks 16 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Endoskop umfasst dabei ein starres Endoskoprohr 111. In dem starren Endoskoprohr 111 ist eine Optik beherbergt, welche zur Weiterleitung von Licht von einem Projektor 11 zu dem Werkstück 16 und zum Sammeln von Licht von dem Werkstück 16 und Weiterleiten desselben zu einer Kamera 12 dient. Bei dem dargestellten Beispiel umfasst eine derartige Optik eine Vielzahl von Stablinsen 15, beispielsweise Hopkins-Stablinsen. Die Ausgestaltung derartiger Stablinsen ist für sich genommen beispielsweise für medizinische Endoskope bekannt und wird daher hier nicht ausführlich erläutert. Die dargestellte Anzahl von drei Stablinsen 15 dient dabei lediglich als Beispiel. Generell können derartige Stablinsen durch Glasstäbe (oder Stäbe aus einem anderen geeigneten transparenten Material) mit optisch bearbeiteten Endflächen sein, wobei zwischen den Endflächen benachbarter Stablinsen sogenannte Luftlinsen ausgebildet werden. Mit derartigen Stablinsen lässt sich eine Abbildung hoher Lichtstärke und/oder hoher Auflösung erzielen.
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Des Weiteren umfasst das System der 1 den Projektor 11 zum Erzeugen eines Musters. Wie durch einen Pfeil 13 angedeutet, wird von dem Projektor 11 ausgegebenes Licht in das Endoskop 111 eingekoppelt und wie durch einen Pfeil 17 angedeutet, aus dem Endoskop 111 wieder ausgekoppelt, um das Werkstück 16 zu beleuchten. Dabei kann insbesondere eine Beleuchtung mit einem Streifenmuster erfolgen, wobei grundsätzlich auch andere Arten von Mustern, beispielsweise zeitlich veränderliche Muster, Punktmuster oder Zufallsmuster, verwendet werden können.
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Eine Kamera 12 nimmt das auf das Werkstück 16 über das Endoskop 111 von dem Projektor 11 projizierte Muster auf. Hierzu wird wie durch einen Pfeil 18 angedeutet, ein Bild des Musters oder ein Teil hiervon in das Endoskop 111 eingekoppelt und wie durch einen Pfeil 14 angedeutet, an die Kamera 12 ausgegeben. Bei dem dargestellten Beispiel kann dabei die Einkopplung des Lichts von dem beleuchteten Werkstück 16 in das Endoskop 111 an einem anderen Ort erfolgen (wie durch Pfeil 18 angedeutet) als die Auskopplung des von dem Projektor ausgesandten Lichts gemäß Pfeil 17. Hierdurch wird effektiv von einem anderen Ort beobachtet (durch die Kamera) als dem Ort, von dem aus das Muster, beispielweise Streifenmuster, projiziert wird. Ein Beispiel hierfür wird später unter Bezugnahme auf die 2 näher erläutert.
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Bei Ausführungsbeispielen kann das von dem Projektor 11 zu dem Werkstück 16 hingeleitete Licht von dem von dem Werkstück 16 zu der Kamera 12 geleiteten Licht getrennt werden, beispielweise anhand der Polarisation. Auch hierfür wird später unter Bezugnahme auf die 2 noch ein Beispiel erläutert.
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Das System der 1 umfasst weiter eine Steuerung, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel den Projektor 11 und die Kamera 12 steuert. Bei zeitlich veränderlichen Mustern, welche von dem Projektor 11 erzeugt werden, kann dabei insbesondere eine Bildaufnahme durch die Kamera 12 synchron mit der Änderung der Beleuchtung durch den Projektor 11 erfolgen. Die Steuerung 10 wertet zudem die von der Kamera 12 aufgenommenen Bilder des auf das Werkstück projizierten Musters auf, um Informationen über die Oberfläche des Werkstücks 16 zu erhalten. Diese Auswertung kann dabei auf herkömmliche Weise wie von Streifenprojektoren grundsätzlich bekannt, erfolgen.
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Während das Endoskop 111 in 1 als gerades Endoskop dargestellt ist, sind auch abgewinkelte Varianten möglich. Hierzu kann beispielsweise wie gestrichelt ein Umlenkspiegel 19 verwendet werden, und das Endoskop kann sich dann wie ebenfalls gestrichelt durch 110 angedeutet unter einem Winkel fortsetzen. Auch mehrere derartige Umlenkungen, auch in anderen Winkeln als rechten Winkeln, sind möglich.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Endoskopsystems mit einem Endoskop 23. Das Endoskop 23 in 2 ist als gerades Endoskop dargestellt, kann aber auch Abwinklungen wie bereits unter Bezugnahme auf 1 erläutert, aufweisen. Das Endoskop 23 ist dabei insbesondere ein starres Endoskop mit einer darin angeordneten Optik, beispielsweise Hopkins-Stablinsen, wie bereits unter Bezugnahem auf 1 erläutert.
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Ein schematisch dargestellter Projektor 20 erzeugt bei dem System der 2 ein Beleuchtungsmuster, z.B. ein Streifenmuster, welche über eine Optik 21 (beispielsweise ein oder mehrere Linsen) und einen Strahlteiler 24 in das Endoskop 23 eingekoppelt wird. Der Strahlteiler 24 kann dabei insbesondere ein polarisationsabhängiger Strahlteiler sein, bei dem Licht eine Polarisation reflektiert und Licht einer anderen Polarisation transmittiert wird. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das von dem Projektor 20 zu dem Strahlteiler gelangende Licht polarisiert, beispielsweise durch Bereitstellung eines Polarisators in der Optik 21. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist das Licht unpolarisiert, und der in das Endoskop 23 reflektierte Teil des Lichts wird durch den Strahlteiler polarisiert, während das übrige Licht (welches nicht die entsprechende Polarisation aufweist) durch den Strahlteiler 24 hindurch beispielsweise zu einer Lichtfalle gelangt.
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Das so als polarisiertes Licht in dem Endoskop 23 sich fortpflanzende Licht wird durch einen weiteren polarisationsabhängigen Strahlteiler 25 aus dem Endoskop 23 ausgekoppelt. Über eine Optik 28 (beispielsweise eine oder mehrere Linsen) wird das von dem Projektor 20 erzeugte Muster dann in einem Bereich 29 auf einem Werkstück projiziert.
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Von dem Werkstück gestreutes und/oder reflektiertes Licht wird über einen Spiegel 27 oder eine andere Optik in das Endoskop 23 gelenkt. Durch eine λ/2-Platte 26 zur Änderung der Polarisation gelangt das Licht 211 dann zu dem Strahlteiler 25. In dem Fall, dass die Reflexion und/oder Streuung an dem Werkstück vollständig polarisationserhaltend ist, weist das Licht nach dem Durchgang durch die λ/2-Platte 26 eine zu dem von dem Projektor 20 ausgehenden Licht orthogonale Polarisation auf und geht somit durch den Strahlteiler 25 hindurch. Wirkt das Werkstück zumindest teilweise depolarisierend, gilt dies nur für einen Teil des Lichts, und ein übriger Teil wird von dem Strahlteiler 25 abgelenkt, beispielsweise zu einer Lichtfalle. Das Licht 211 geht dann weiter durch den Strahlteiler 24 hindurch und gelangt zu einer Kamera 22, beispielsweise einer Kamera mit einem CCD(charged coupled device)-Sensor oder einem CMOS-Sensor.
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Somit kann durch die polarisationsabhängigen Strahlteiler 24, 25 eine gemeinsame Nutzung des Endoskops 23 sowohl für das von dem Projektor 20 ausgehende Licht (Beleuchtungsstrahlengang), als auch für das von dem Werkstück zu der Kamera 22 gelangende Licht (Aufnahmestrahlengang) erfolgen. Wie zudem aus 2 ersichtlich, ist der effektive „Beobachtungsort“ der Kamera (entsprechend im Wesentlichen der Position des Spiegels 27) und dem Beleuchtungsort (Austritt aus der Optik 28) verschieden.
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Wie in 2 ersichtlich, überlappt sich ein von der Kamera 22 auf dem Werkstück erfasster Aufnahmebereich 210 mit einem von dem Projektor 20 des beleuchteten Projektionsbereichs 29 nur teilweise. Dies bedeutet, dass bei dem Ausführungsbeispiel der 2 nur ein Teil des Bilds der Kamera und somit beispielsweise auch nur ein Teil der zur Verfügung stehenden Auflösung zur Untersuchung der Oberfläche des Werkstücks genutzt wird. Um dies zu verbessern, sind verschiedene Maßnahmen möglich.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann beispielsweise der mit dem von dem Projektor 20 erzeugten Muster ausgeleuchtete Projektionsbereich 29 so aufgeweitet werden, dass der gesamte Aufnahmebereich 210 oder ein großer Teil hiervon erfasst wird. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Ausgestaltung der Optik 28 erfolgen.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen können, um eine größere Überlappung zwischen den Bereichen 29 und 210 zu erzielen, der Beleuchtungsstrahlengang zu dem Aufnahmestrahlengang verkippt werden. Hierzu können z.B. die Strahlteiler 24, 25 verkippt werden. Bei manchen Ausführungsbeispielen können dann zusätzlich ein Bildaufnahmesensor der Kamera 22 und/oder der Projektor 20 relativ zur Endoskopachse geneigt werden, um die sogenannte Scheimpflug-Bedingung zumindest im Wesentlichen einzuhalten. Bei wieder anderen Ausführungsbeispielen kann zum Vergrößern der Überlappung eine Optik dezentriert werden, beispielsweise die Optik 21.
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Es können auch zwei oder mehr dieser Möglichkeiten miteinander kombiniert werden.
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Zu bemerken ist, dass die in 2 dargestellte Anordnung der polarisationsabhängige Strahlteiler 24, 25 nur eine Möglichkeit darstellt. Insbesondere wird bei der Anordnung der 2 Licht von dem Projektor 20 von den Strahlteilern reflektiert, während Licht für die Kamera 22 durchgelassen wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann dies umgekehrt sein, d.h., die Positionen von Projektor 20 und Kamera 22 können im Wesentlichen vertauscht sein, wobei dann die Polarisation des von dem Projektor 20 ausgehenden Lichts entsprechend gewählt werden kann, sodass das Licht durch die Strahlteiler hindurch geht.
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Steuerung und Auswertung des Projektor 20 und der Kamera 22 bei dem Ausführungsbeispiel der 2 können dann wie bereits unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, erfolgen, beispielsweise durch eine Steuerung wie die Steuerung 10.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- C. Orth et al., „Optische Inspektion von Blechmassivumformteilen und -werkzeugen mit feinen Nebenformelelementen“, Technisches Messen 79 (2012) [0003]
