DE102017109128B4

DE102017109128B4 - Endoskop zur 3D-Vermessung von Objekten sowie zugehöriger Baukasten und Verwendung

Info

Publication number: DE102017109128B4
Application number: DE102017109128.9A
Authority: DE
Inventors: Marcus Franz; Matthias Kratschmer; Klaus Wolter; Joachim Bauer; Sigurd Schrader; Silvio PULWER
Original assignee: TECHNISCHE HOCHSCHULE WILDAU (FH); Technische Hochschule Wildau Fh; Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG; Schoelly Fiberoptic GmbH
Current assignee: TECHNISCHE HOCHSCHULE WILDAU (FH); Technische Hochschule Wildau Fh; Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG; Schoelly Fiberoptic GmbH
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2020-12-24
Anticipated expiration: 2037-04-28
Also published as: DE102017109128A1

Abstract

Endoskop (1) mit einem zu einem distalen Ende (2) geführten Projektionskanal (3) und einem von dem distalen Ende (2) wegführenden Abbildungskanal (4), wobei eine Lichtquelle (5) vorgesehen ist, mit welcher der Projektionskanal (3) beleuchtbar ist und ein Bildsensor (6), mit dem ein über den Abbildungskanal (4) aufgenommenes Bild auswertbar ist, und wobei der Projektionskanal (3) und der Abbildungskanal (4) in einer Längsrichtung (7) des Endoskops (1) ausgerichtet und quer zur Längsrichtung (7) zueinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (6) und eine Vorrichtung (8) zur Erzeugung eines Lichtmusters in einem distalen Endbereich (9) des Endoskops (1) angeordnet sind und dass an distalen Enden (11,12) des Projektionskanals (3) und des Abbildungskanals (4) jeweils eine Strahlumlenkeinrichtung (10) ausgebildet ist, mit welcher Lichtstrahlen ablenkbar sind, sodass zwischen einem ausgehenden Projektionsstrahl (13) und einem einfallenden Abbildungsstrahl (14) ein Triangulationswinkel (15) gebildet ist, wobei mit den Strahlumlenkeinrichtungen (10) Lichtstrahlen seitlich ablenkbar sind, sodass der Projektionsstrahl (13) und/oder der Abbildungsstrahl (14) eine Seitenfläche (16) des Endoskops (1) durchstößt und das Endoskop (1) ein seitliches Blickfeld aufweist und wobei das Endoskop (1) eine Mikro-Kamera (27) umfasst, die in dem distalen Endbereich (9) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Endoskop mit einem zu einem distalen Ende geführten Projektionskanal und einem von dem distalen Ende wegführenden Abbildungskanal, wobei eine Lichtquelle vorgesehen ist, mit welcher der Projektionskanal beleuchtbar ist und ein Bildsensor, mit dem ein über den Abbildungskanal aufgenommenes Bild auswertbar ist, und wobei der Projektionskanal und der Abbildungskanal in einer Längsrichtung des Endoskops ausgerichtet und quer zur Längsrichtung zueinander beabstandet sind.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines derartigen Endoskops für eine Triangulationsmessung sowie einen Endoskop-Baukasten.
Endoskope wie eingangs beschrieben sind bekannt und werden für das berührungslose dreidimensionale Ausmessen von Strukturen, insbesondere von Oberflächendefekten, eingesetzt, die an schwer zugänglichen Stellen vorhanden sind. Ein typischer Anwendungsfall ist beispielsweise die Ausmessung von Defekten an Turbinenschaufeln eines Flugzeugtriebwerks oder die Inspektion von Gewinde- oder sonstigen Bohrungen an mechanischen Bauteilen.
Zu diesem Zweck wird häufig mittels einer Projektionsoptik ein regelmäßiges Lichtmuster auf eine zu untersuchende Oberfläche projiziert. Die Oberfläche und das Lichtmuster können dann durch eine Abbildungsoptik erfasst werden, wobei aus einer Verzerrung des Lichtmusters Rückschlüsse auf die dreidimensionale Struktur der Oberfläche gezogen werden können. Eine solche Verzerrung tritt insbesondere dann auf, wenn sich die Topographie der Oberfläche, beispielsweise aufgrund eines Oberflächendefekts, sprunghaft ändert.
Zur genauen Vermessung von Oberflächen werden bei derartigen endoskopischen Untersuchungen häufig Triangulationsverfahren eingesetzt, bei denen durch präzise Ausrichtung der Optiken ein Triangulationswinkel definiert wird. Dieser Triangulationswinkel wird häufig definiert als eine Differenz von Winkeln, unter denen die Projektionsoptik beziehungsweise die Abbildungsoptik auf die zu untersuchende Oberfläche blicken. Insbesondere kann ein solcher Triangulationswinkel zwischen einem zentralen Projektionsstrahl gebildet sein, der von einer Projektionsoptik ausgehend auf das zu untersuchende Objekt trifft, und einem zentralen Abbildungsstrahl, welcher von einem von dem Projektionsstrahl beleuchtenden Punkt der Oberfläche des Objekts ausgehend zu einer Abbildungsoptik und durch diese verläuft.
Aus der US 2016 0316999 A1 ist ein Endoskop bekannt mit dem sowohl stereoskopische Aufnahmen als auch Triangulationsmessungen durchgeführt werden können. Hierzu werden extern vom Endoskop zwei externe Kameras sowie eine Matrix zur Herstellung eines Projektionsmusters angeordnet, die über ein Paar von Bildleitfasern optisch mit der Endoskopspitze verbunden sind. In der Endoskopspitze sind zwei Strahlumlenkeinrichtungen angeordnet, mit Hilfe derer ein seitliches Blickfeld realisiert wird.
Die DE 10 2015 201 561 A1 offenbart ein Endoskop mit einem frontal ausgerichteten Blickfeld, wobei sowohl ein Bildsensor als auch ein Transmissionsgitter zur Erzeugung eines Lichtmusters in einem distalen Endbereich des Endoskops angeordnet sind. Entsprechend wird nur eine einfache Lichtfaser zur Beleuchtung des distalen Transmissionsgitters verwendet; Bildleitfasern sind somit überflüssig.
Ferner sind aus den Druckschriften US 2004 0143162 A1 , US 2013 0172670 A1 , US 6 554 767 B2 sowie US 6 206 825 B1 abnehmbare Endoskopköpfe bekannt, die über elektrische und optomechanische Schnittstellen am distalen Ende eines jeweiligen Endoskops befestigbar sind. Diese Endoskopköpfe stellen typischerweise die Objektive zur Verfügung, auf denen die Bildgebung des jeweiligen Endoskops beruht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungsfähigkeit, insbesondere die Messgenauigkeit, eines wie eingangs beschriebenen Endoskops zu verbessern. Daneben soll die Erfindung auch die Einsatzmöglichkeiten des Endoskops erweitern, insbesondere für Triangulationsmessungen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß bei einem Endoskop die Merkmale von Anspruch 1 vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einem Endoskop der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass der Bildsensor und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtmusters in einem distalen Endbereich des Endoskops angeordnet sind. Ferner wird vorgeschlagen, dass an distalen Enden des Projektionskanals und des Abbildungskanals jeweils eine Strahlumlenkeinrichtung ausgebildet ist, mit welcher Lichtstrahlen ablenkbar sind. Mittels der Strahlumlenkeinrichtungen kann somit zwischen einem ausgehenden Projektionsstrahl und einem einfallenden Abbildungsstrahl ein Triangulationswinkel gebildet sein.
Durch die Anordnung der Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtmusters im distalen Endbereich des Endoskops kann das zu projizierende Lichtmuster direkt im Endoskop erzeugt werden. Damit kann auf eine aufwendige Bildübertragung des Lichtmusters verzichtet werden, wie sie typischerweise notwendig ist, wenn das Lichtmuster außerhalb des Endoskops erzeugt wird. Von Vorteil ist dabei, dass das Lichtmuster ohne Qualitätseinbußen und in hoher Auflösung direkt mittels einer im Endoskop ausgebildeten Projektionsoptik auf ein zu untersuchendes Objekt projiziert werden kann. Somit kann mittels des erfindungsgemäßen Endoskops ein Lichtmuster von hoher Auflösung projiziert werden, was für eine hohe Messgenauigkeit von gro-ßem Vorteil ist.
Mittels der Strahlumlenkeinrichtungen können Lichtstrahlen von der Längsrichtung des Endoskops abgelenkt werden, sodass neben einer Geradeaus-Sicht auch hiervon abweichende Blickrichtungen realisiert werden können.
Der Projektionskanal kann beispielsweise eine an sich bekannte Projektionsoptik aufweisen beziehungsweise durch diese gebildet sein. Diese Projektionsoptik kann insbesondere aus mehreren Linsenelementen, vorzugsweise Stablinsen, gebildet sein. Mittels der Projektionsoptik kann ein mittels der Vorrichtung erzeugtes Lichtmuster, beispielsweise das Abbild eines Chrom-Gitters einer Transmissionsmaske, auf eine zu untersuchende Oberfläche optisch abgebildet werden. Hierzu kann sowohl monochromatisches als auch polychromatisches Beleuchtungslicht verwendet werden, sodass die Lichtquelle entsprechend ausgewählt sein kann. Alternativ kann auch mittels diffraktiver Strukturen, wie optischen Gittern oder diffraktiven Elementen (diffractive optical elements - DOEs), dann bevorzugt monochromatisch beleuchtet, ein zu projizierendes Lichtmuster erzeugt werden.
Analog kann der Abbildungskanal eine an sich bekannte Abbildungsoptik aufweisen beziehungsweise durch diese gebildet sein. Mittels des Abbildungskanals kann somit Licht, insbesondere von der Lichtquelle ausgesendetes Beleuchtungslicht, erfasst werden, welches von der zu untersuchenden Oberfläche reflektiert oder gestreut wird.
Unter dem Abbildungsstrahl kann hier insbesondere der Strahl verstanden werden, welcher von einem zu untersuchenden Objekt aus durch die Mitte einer Eintrittspupille der Abbildungsoptik verläuft. Der Abbildungsstrahl kann insbesondere ein Symmetriestrahl eines abbildenden Strahlbündels sein.
Durch gezielte Auslegung der erfindungsgemäßen Strahlumlenkeinrichtungen, also insbesondere durch Wahl der optischen Elemente für die Strahlumlenkeinrichtung und ihrer genauen Positionierung und Orientierung im Projektions- bzw. Abbildungsstrahlengang, können unterschiedliche Triangulationswinkel präzise eingestellt werden. Durch geeignete Wahl der Umlenkwinkel der Strahlumlenkeinrichtungen können ferner unterschiedliche Blickrichtungen des Endoskops erzielt werden, wie noch genauer auszuführen sein wird.
Ein Endoskop mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass lediglich durch Anpassung der Strahlumlenkeinrichtungen, also Veränderung Ihrer Position, Orientierung, oder optischen Charakteristiken, sowohl unterschiedliche Blickrichtungen des Endoskops in Bezug auf seine Längsachse als auch unterschiedliche Triangulationswinkel einfach erzielt werden können. Hierbei kann insbesondere auf Änderungen an der Projektions- und Abbildungsoptik, einschließlich der Lichtquelle, der Vorrichtung zur Erzeugung des Lichtmusters als auch des Bildsensors, weitesgehend verzichtet werden. Diese Eigenschaft ist nicht nur für eine kostengünstige Fertigung des Endoskops relevant, sondern auch für die Verwendung austauschbarer Endoskopköpfe, wie noch genauer zu erläutern sein wird.
Durch das Vorsehen zweier separater Umlenkeinrichtungen kann der typischerweise in Längsrichtung vorhandene Bauraum in der distalen Endoskopspitze für die Ausbildung hoch performanter Projektions- und Abbildungsoptiken, die insbesondere aus einer Vielzahl an optischen Elementen bestehen können, verwendet werden. Damit kann eine hohe Qualität der Projektion als auch der Abbildung gewährleistet werden.
Eine typische Anwendung, die mit einem Endoskop gemäß Anspruch 1 adressiert werden kann, ist beispielsweise die dreidimensionale Vermessung von Oberflächendefekten von weniger als 50 Mikrometer Ausdehnung mit einer Auflösung von 5 Mikrometern. Ausschlaggebend für eine solche Performanz ist die Fähigkeit des erfindungsgemäßen Endoskops einerseits ein hochaufgelöstes optisches Muster in hoher Qualität auf eine zu untersuchende Objektoberfläche zu projizieren und andererseits, unter Einhaltung eines präzise definierten Triangulationswinkels, hochaufgelöste Bilder des durch die Oberflächenstruktur deformierten Musters zur Weiterverarbeitung und Auswertung bereitzustellen.
Erfindungsgemäß kann die Aufgabe auch durch weitere vorteilhafte Ausführungen der Unteransprüche gelöst werden.
Beispielsweise kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass mit den Strahlumlenkeinrichtungen Lichtstrahlen seitlich ablenkbar sind. Diese seitliche Ablenkung kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass der Projektionsstrahl und/oder der Abbildungsstrahl eine Seitenfläche des Endoskops durchstößt, sodass das Endoskop ein seitliches Blickfeld aufweist beziehungsweise realisiert. Durch diese Ausgestaltung können die Einsatzmöglichkeiten des Endoskops erweitert werden. Beispielsweise wird es möglich, Seitenwänden von engen Bohrungen mit dem Endoskop zu untersuchen.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein zur Triangulation verwendetes Projektionsstrahlbündel zentriert zum Projektionskanal, insbesondere zentriert zu einer den Projektionskanal ausbildenden Projektionsoptik, verläuft. Eine solche Anordnung ist vorteilhaft, um das Muster unter möglichst geringem Qualitätsverlust auf die zu untersuchende Oberfläche zu projizieren. Hierbei ist es bevorzugt, wenn eine oder die zuvor beschriebene Lichtquelle das Projektionsstrahlbündel in Längsrichtung des Endoskops aussendet und/oder entsprechend angeordnet ist. Denn damit kann eine störende Vignettierung vermieden und eine hohe Effizienz der Lichtausbeute erreicht werden.
Ergänzend oder alternativ ist es hierbei ferner von Vorteil, wenn der Bildsensor zum Abbildungskanal derart angeordnet ist, dass ein zur Triangulation verwendetes Abbildungsstrahlbündel zentriert zum Abbildungskanal, insbesondere zentriert zu einer den Abbildungskanal ausbildenden Abbildungsoptik, verläuft. Denn damit kann eine hohe Abbildungsqualität gewährleistet werden. Hierbei ist es bevorzugt, wenn das Abbildungsstrahlbündel in Längsrichtung des Endoskops auf den Bildsensor fällt. Denn damit kann eine kompakte Bauform des Endoskops erreicht werden.
Bei einer wiederum anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Endoskops ist vorgesehen, dass die Strahlumlenkeinrichtungen zueinander in Längsrichtung des Endoskops distal oder proximal versetzt angeordnet sind. Ergänzend oder alternativ kann hierbei vorgesehen sein, dass die Strahlumlenkeinrichtungen zueinander quer zur Längsrichtung des Endoskops versetzt angeordnet sind. Durch diese Ausgestaltungen lässt sich für verschiedenste Triangulationswinkel und/oder Blickrichtungen eine kompakte Bauweise des Endoskops realisieren.
Aus demselben Grund kann es ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass die Strahlumlenkeinrichtungen innerhalb einer axialen Projektion eines Schafts des Endoskops angeordnet sind. Damit kann sichergestellt werden, dass beim Vorschieben des Endoskops, beispielsweise in eine enge Bohrung, die Strahlumlenkeinrichtungen vor Beschädigungen geschützt sind, da sie insbesondere innerhalb des Endoskopschafts angeordnet werden können.
Eine Weiterbildung gemäß der Erfindung sieht vor, dass eine oder die Abbildungsoptik mit von einer oder der Projektionsoptik abweichenden optischen Eigenschaften ausgestaltet ist. Durch diese Vorgehensweise können diese beiden Optiken separat voneinander auf die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich der Projektion des Lichtmusters auf das Objekt beziehungsweise hinsichtlich der Abbildung des Lichtmusters auf den Bildsensor optimiert werden. Hierbei kann es in bestimmten Anwendungen vorteilhaft sein, wenn die Abbildungsoptik einen größeren Aperturdurchmesser und/oder ein höheres Auflösungsvermögen als die Projektionsoptik aufweist. Denn die Erfindung hat erkannt, dass eine solche Ausgestaltung in einem besonders leistungsfähigen Endoskop beziehungsweise Messsystem resultiert. Auch bei dieser Ausgestaltung ist es besonders bevorzugt, wenn die Abbildungsoptik und die Projektionsoptik innerhalb eines oder des zuvor beschriebenen Endoskopschafts angeordnet sind. Denn eine solche Bauweise ist insbesondere bei Verwendung von austauschbaren Endoskopköpfen vorteilhaft, wie noch genauer zu erläutern sein wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine der Strahlumlenkeinrichtungen eine Lichtbrechung und eine Reflektion, jeweils an einer optischen Grenzfläche der Strahlumlenkeinrichtung, zur Strahlumlenkung ausnutzt. Von Vorteil ist bei einer solchen Ausgestaltung, dass mit einer möglichst geringen Anzahl an optischen Elementen große Umlenkwinkel realisiert werden können. Damit lassen sich mannigfaltige Blickrichtungen und/oder Triangulationswinkel an dem Endoskop ausgestalten.
Um eine besonders kompakte Bauweise, insbesondere im distalen Endbereich des Endoskops, zu ermöglichen, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtmusters im Projektionskanal ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann die Vorrichtung somit insbesondere innerhalb einer axialen Projektion einer oder der Projektionsoptik angeordnet sein. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn die Vorrichtung ortsfest in Bezug auf eine oder die Projektionsoptik angeordnet ist.
Eine besonders einfache und vorteilhafte Ausführungsform gemäß der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtmusters als eine optische Transmissionsmaske oder als eine optische Reflexionsmaske oder als ein diffraktives Element ausgebildet ist. Ein alternativer Lösungsansatz gemäß der Erfindung sieht vor, dass mindestens zwei Monomode-Fasern zur Beleuchtung des Projektionskanals und zur Erzeugung eines Interferenzmusters vorgesehen sind. Mit anderen Worten kann also ein von den Monomode-Fasern durch Interferenz erzeugtes Lichtmuster mittels der Projektionsoptik auf das zu untersuchende Objekt projiziert werden. Von Vorteil ist dabei, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtmusters hochkompakt ausgebildet werden kann und nahezu keine Lichtverluste auftreten.
Die Lichtquelle des Endoskops kann erfindungsgemäß, beispielsweise durch eine LED, in einem distalen Endbereich des Endoskops ausgebildet sein. Erfindungsgemäß können aber auch externe Lichtquellen zur Beleuchtung des Projektionskanals verwendet werden. Insbesondere sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Lichtquelle durch mindestens eine optische Faser, insbesondere eine Multimode-Faser oder eine Monomode-Faser, gebildet ist. Hierbei kann eine Lichtaustrittsfläche der optischen Faser als Lichtquelle dienen. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die Lichtaustrittsfläche in dem distalen Endbereich des Endoskops angeordnet ist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein erster Umlenkwinkel, um den eine erste Umlenkeinrichtung den Projektionsstrahl umlenkt, mehr als 90°, insbesondere mehr als 120°, beträgt. Hierbei kann ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass ein zweiter Umlenkwinkel, um den eine zweite Umlenkeinrichtung den Abbildungsstrahl umlenkt, mehr als 90°, insbesondere mehr als 125°, beträgt. Durch derartige Ausgestaltungen des Endoskops lassen sich Blickrichtungen realisieren, die seitlich und insbesondere nach vorne gerichtet sind. Damit lassen sich beispielsweise Defekte am Boden von Bohrungen effizient optisch vermessen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Umlenkwinkel weniger als 90°, insbesondere weniger als 80°, beträgt. Ergänzend oder alternativ kann hierbei vorgesehen sein, dass der zweite Umlenkwinkel 90° oder weniger als 90° beträgt. Durch diese Ausgestaltungen lassen sich Blickrichtungen realisieren, die seitlich und insbesondere nach hinten gerichtet sind, so dass besonders schwer zugängliche Stellen optisch vermessen werden können.
Die Erfindung hat ferner erkannt, dass es in bestimmten Anwendungen von großem Vorteil für die Messgenauigkeit, insbesondere die Messauflösung ist, wenn ein wie zuvor beschriebenes Endoskop derart konstruktiv ausgestaltet wird, dass der Triangulationswinkel weniger als 40°, insbesondere höchstens 20° und mindestens 8°, vorzugsweise mindestens 10°, beträgt.
Insbesondere dann, wenn das Endoskop eine schräge Blickrichtung aufweist, kann es gemäß der Erfindung vorteilhaft sein, wenn die Lichtquelle und/oder die optische Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtmusters zu einer optischen Achse der Projektionsoptik verkippt angeordnet ist/sind. Hierbei kann ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass der Bildsensor zu einer optischen Achse einer oder der Abbildungsoptik verkippt angeordnet ist. Durch diese Maßnahmen können durch Schrägsicht verursachte Abbildungsfehler weitestgehend kompensiert werden, so dass die Abbildungsqualität und/oder die Schärfentiefe bei der endoskopischen Untersuchung verbessert werden kann.
Durch eine Verkippung der Lichtquelle und/oder des Bildsensors und/oder der optischen Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtmusters kann somit eine auf dem Bildsensor erzielte Abbildungsqualität verbesserbar sein.
Durch Verkippung speziell der optischen Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtmusters kann zudem die Charakteristik des Lichtmusters, beispielsweise ein Linien- oder Punktabstand, veränderbar sein, sodass unterschiedliche Messaufgaben, beispielsweise mit unterschiedlichen Anforderugnen an eine Messauflösung, mit dem Endoskop gelöst werden können.
Alternativ oder ergänzend zu den zuvor beschriebenen Verkippungen kann eine vergleichbare Verbesserung auch durch Verkippung optisch korrigierender Baugruppen, wie z.B. Prismen oder Schmidtplatten, erreicht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die optische Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtmusters, also insbesondere ein optisches Gitter, um einen Kippwinkel gegen eine optische Achse der Projektionsoptik verkippt ist, der gleich dem Produkt aus einem Abbildungsmaßstab der Projektionsoptik und einem Einfallswinkel des Projektionsstrahls auf ein zu untersuchendes Objekt ist. Hierbei kann der Einfallswinkel des Projektionsstrahls insbesondere gegenüber dem Lot einer mit dem Endoskop zu untersuchenden Oberfläche definiert sein. Ferner kann dieser Einfallswinkel insbesondere gegeben sein durch die Differenz zwischen dem ersten Umlenkwinkel und 90°.
Eine Weiterbildung der in den vorherigen Abschnitten beschriebenen Ausgestaltungen sieht vor, dass die Lichtquelle und/oder die optische Vorrichtung zur optischen Achse einer oder der Projektionsoptik und/oder der Bildsensor zur optischen Achse einer oder der Abbildungsoptik verkippbar ausgestaltet ist/sind. Mit anderen Worten können erfindungsgemäß die Lichtquelle, die optische Vorrichtung oder der Bildsensor derart ausgestaltet sein, dass sie während einer Triangulationsmessung verkippt werden können. Damit lässt sich die Qualität der Projektion beziehungsweise die Abbildungsqualität, je nach Anwendung, verbessern. Es versteht sich für den Fachmann, dass hierzu insbesondere Mikro-Aktoren im distalen Endbereich des Endoskops vorgesehen sein können, die die notwendige Verkippung bewirken.
Um die Handhabung des Endoskops für einen Benutzer möglichst einfach zu gestalten und damit insbesondere den Zeitaufwand für eine endoskopische Untersuchung zu reduzieren, sieht eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Endoskop eine Mikro-Kamera umfasst. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die Mikro-Kamera ein Sichtfeld, vorzugsweise vollständig, erfasst, welches der Bildsensor aufnimmt. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Mikro-Kamera ein Blickfeld von 180° erfasst. Von Vorteil ist bei beiden dieser Ausgestaltungen, dass der Anwender unter Ausnutzung der Mikro-Kamera eine zu untersuchende Oberfläche zunächst grob auf Defekte inspizieren kann, um anschließend eine Triangulationsmessung mit Hilfe des Bildsensors an einem bestimmten Defekt durchzuführen.
Die Erfindung hat hier erstmalig erkannt, dass sich eine solche Mikro-Kamera insbesondere im distalen Endbereich des Endoskops anordnen lässt, ohne dass dadurch die Baugröße des distalen Endbereichs des Endoskops übermäßig zunimmt. Um einen möglichst geringen Außendurchmesser des Endoskops, insbesondere eines oder des Endoskopschafts, zu ermöglichen, ist es hierbei bevorzugt, wenn die Mikro-Kamera proximal oder distal beabstandet von den erfindungsgemäßen Strahlumlenkeinrichtungen angeordnet ist.
Die Erfindung hat ferner erkannt, dass sich die Anwendungsmöglichkeiten des Endoskops wesentlich erweitern lassen, wenn die Strahlumlenkeinrichtungen, insbesondere eine erste und eine zweite Strahlumlenkeinrichtung, in einem abnehmbaren Endoskopkopf zusammengefasst sind. Denn bei einer solchen Ausgestaltung können verschiedene Endoskopköpfe unterschiedlicher Größe und/oder Außenabmessungen und/oder mit unterschiedlichen Blickrichtungen, also insbesondere mit seitlicher und/oder schräger Blickrichtung oder etwa mit Geradsicht, und/oder mit unterschiedlichen Triangulationswinkeln mit ein und demselben Endoskopschaft verwendet werden, der die übrigen Bestandteile des Endoskops aufweist.
Um den Wechsel der Endoskopköpfe für den Anwender möglichst einfach zu gestalten, kann hierbei insbesondere vorgesehen sein, dass Mittel vorgesehen sind zur Ausrichtung des Endoskopkopfs auf den Projektionskanal und/oder den Abbildungskanal des Endoskops. Zusätzlich oder alternativ kann der abnehmbare Endoskopkopf auch eine, insbesondere wie zuvor beschriebene, Mikro-Kamera aufweisen. Hierbei können entsprechende Schnittstellen zur elektrischen Versorgung der Mikro-Kamera, vorzugsweise an dem Endoskopkopf und korrespondierend hierzu am Endoskop, vorgesehen sein.
Auf diese Weise ist es also möglich, unterschiedliche Blickwinkel und unterschiedliche Triangulationswinkel bei einer Untersuchung für die Vermessung unterschiedlich tiefer Oberflächenstrukturen einzusetzen und dabei dasselbe Endoskop, jedoch für jede Messung jeweils mit einem geeigneten Endoskopkopf ausgestattet, zu verwenden. Dadurch werden die Einsatzmöglichkeiten des Endoskops erweitert und der Nutzen für den Anwender erhöht. Denn für unterschiedliche Messungen muss nur der Endoskopkopf gewechselt werden, während die sonstige endoskopische Anordnung unverändert bleiben kann.
Besonders einfach lässt sich eine kompakte Umlenkeinrichtung gemäß der Erfindung realisieren, wenn die Strahlumlenkeinrichtungen, insbesondere eine erste und/oder eine zweite Strahlumlenkeinrichtung, einen Spiegel oder ein Prisma, insbesondere mit verspiegelten Flächen, oder ein dispergierendes Prisma oder einen Abatschen Keil oder ein Drehkeilpaar oder ein diffraktives Element aufweisen.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Endoskop-Baukasten vorgeschlagen. Dieser besteht aus einem Endoskopschaft und einem ersten abnehmbaren Endoskopkopf, insbesondere jeweils wie zuvor beschrieben, aus denen ein erstes Endoskop, wie zuvor beschrieben oder nach einem der auf ein Endoskop gerichteten Ansprüche, zusammensetzbar ist. Der Endoskop-Baukasten weist ferner einen zweiten abnehmbaren Endoskopkopf auf, der an dem Endoskopschaft befestigbar ausgestaltet ist. Es versteht sich, dass hierbei der Endoskopschaft die notwendigen Bauteile, also insbesondere einen wie zuvor beschriebenen Projektions- und Abbildungskanal, die Lichtquelle, den Bildsensor, die Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtmusters sowie gegebenenfalls eine Beleuchtungsoptik sowie eine Aperturblende aufweisen kann. Ferner können einzelne oder beide der zwei abnehmbaren Endoskopköpfe des Endoskop-Baukastens jeweils zwei Strahlumlenkeinrichtungen, insbesondere eine erste und eine zweite Strahlumlenkeinrichtung, vorzugsweise und eine Mikro-Kamera, aufweisen. Es können auch Mittel zur Ausrichtung des jeweiligen Endoskopkopfs auf den Projektionskanal und/oder den Abbildungskanal und/oder elektrische Schnittstellen zur Versorgung der Mikro-Kamera vorgesehen sein.
Mit dem zweiten abnehmbaren Endoskopkopf und dem Endoskopschaft des Baukastens kann beispielsweise ein zweites Endoskop zusammensetzbar sein. Dieses zweite Endoskop kann insbesondere wie zuvor beschrieben oder nach einem der auf ein Endoskop gerichteten Ansprüche ausgestaltet sein. Das zweite Endoskop kann aber auch hiervon abweichend ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der zweite abnehmbare Endoskopkopf ohne Strahlumlenkeinrichtungen ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Endoskop-Baukastens ist vorgesehen, dass der zweite abnehmbare Endoskopkopf einen von dem ersten abnehmbaren Endoskopkopf abweichenden Blickwinkel und/oder Triangulationswinkel realisiert. Hierbei kann der zweite abnehmbare Endoskopkopf insbesondere eine Geradsicht realisieren und/oder eine Mikro-Kamera (27) aufweisen. Die Mikro-Kamera (27) kann ihrerseits insbesondere ein, vorzugsweise in Bezug auf den Endoskopschaft, nach vorne gerichtetes Blickfeld erfassen.
Von Vorteil ist bei dem Baukasten, dass unter Verwendung nur eines Endoskopschafts verschiedene Blickrichtungen oder Triangulationswinkel einfach realisiert werden können oder etwa eine zusätzliche Funktionalität, beispielsweise durch einen zweiten Endoskopkopf mit einer Mikro-Kamera. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass einer der mindestens zwei abnehmbaren Endoskopköpfe eine Geradsicht realisiert, vorzugsweise wobei der andere Endoskopkopf eine seitliche oder schräge Blickrichtung realisiert. Selbstverständlich kann der Baukasten auch mehr als zwei austauschbare Endoskopköpfe oder mehr als einen Endoskopschaft aufweisen.
Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele beschrieben, die gemäß der Erfindung als besonders vorteilhaft für bestimmte Anwendungen angesehen werden. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird hierzu ein Projektionswinkel definiert, welcher gleich einem Einfallswinkel ist, unter dem der Projektionsstrahl auf eine zu untersuchende Oberfläche trifft, wobei der Einfallswinkel gleich dem Winkel zwischen dem Projektionsstrahl und einer Normalen der zu untersuchenden Oberfläche ist, sowie eine Blickrichtung des Endoskops, die gleich dem Winkel ist, den ein auf die zweite Strahlumlenkeinrichtung gerichteter Abbildungsstrahl mit der Normalen der zu untersuchenden Oberfläche einschließt. Beispielsweise beträgt dieser Blickwinkel mehr als 90°, wenn das Endoskop einen nach hinten gerichteten Blickwinkel realisiert. Es versteht sich ferner, dass bei Festlegung des Blickwinkels und des Triangulationswinkels, auch der Projektionswinkel festgelegt ist, beziehungsweise bei Festlegung des Projektionswinkels und des Triangulationswinkels, auch der Blickwinkel festgelegt ist.
Mit diesen Definitionen schlägt eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Strahlumlenkeinrichtungen derart ausgestaltet sind, dass der Projektionswinkel 25° bis 15° beträgt und der Triangulationswinkel größer als der Projektionswinkel ist. Eine solche Ausgestaltung ist beispielsweise zur Detektion von Defekten günstig, deren kleinste laterale Abmessung etwa gleich ihrer Tiefe ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Strahlumlenkeinrichtungen derart ausgestaltet sind, dass der Projektionswinkel 10° bis 15° beträgt und der Triangulationswinkel größer als der Projektionswinkel ist. Eine solche Ausgestaltung ist beispielsweise zur Detektion von Defekten günstig, deren Tiefe größer als ihre kleinste laterale Abmessung ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Strahlumlenkeinrichtungen derart ausgestaltet sind, dass der Projektionswinkel 25° bis 45° beträgt und der Triangulationswinkel größer als der Projektionswinkel ist. Eine solche Ausgestaltung ist beispielsweise zur Detektion von Defekten günstig, deren Tiefe kleiner als ihre kleinste laterale Abmessung ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Strahlumlenkeinrichtungen derart ausgestaltet sind, dass die Blickrichtung 75° bis 65° beträgt, wobei der Triangulationswinkel größer oder gleich der Differenz aus 90° und der Blickrichtung ist. Eine solche Ausgestaltung ist beispielsweise zur Detektion von Defekten günstig, deren kleinste laterale Abmessung etwa gleich ihrer Tiefe ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Strahlumlenkeinrichtungen derart ausgestaltet sind, dass die Blickrichtung 90° bis 75° beträgt, wobei der Triangulationswinkel größer oder gleich der Differenz aus 90° und der Blickrichtung ist. Eine solche Ausgestaltung ist beispielsweise zur Detektion von Defekten günstig, deren Tiefe größer als ihre kleinste laterale Abmessung ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Strahlumlenkeinrichtungen derart ausgestaltet sind, dass die Blickrichtung 65° bis 45° beträgt, wobei der Triangulationswinkel größer oder gleich der Differenz aus 90° und der Blickrichtung ist. Eine solche Ausgestaltung ist beispielsweise zur Detektion von Defekten günstig, deren Tiefe kleiner als ihre kleinste laterale Abmessung ist.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe sind erfindungsgemäß bei einer Verwendung eines Endoskops die Merkmale des auf eine Verwendung gerichteten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein erfindungsgemäßes Endoskop, insbesondere wie zuvor beschrieben und/oder nach einem der auf ein Endoskop gerichteten Ansprüche, für eine Triangulationsmessung, insbesondere für eine Vermessung eines Flugzeugtriebwerks, verwendet wird. Bei einer solchen Verwendung kann es vorteilhaft sein, wenn ein schräger Blickwinkel in Bezug auf eine Längsrichtung des Endoskops ausgenutzt wird.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ist ferner die Verwendung eines Endoskops vorgesehen, welches insbesondere nach einem der auf ein Endoskop gerichteten Ansprüche oder wie zuvor beschrieben ausgebildet sein kann, wobei bei einer endoskopischen Untersuchung, mindestens zwei abnehmbar ausgestaltete Endoskopköpfe, wie weiter oben bereits beschrieben, verwendet werden. Hierbei können die Endoskopköpfe jeweils zwei Strahlumlenkeinrichtungen aufweisen. Ferner kann hierbei vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Endoskopköpfe unterschiedliche Blickrichtungen, Blickwinkel und/oder Triangulationswinkel realisieren. Diese Untersuchung kann insbesondere rein technischer Natur sein, also nicht auf die chirurgische oder therapeutische Behandlung des menschlichen oder tierischen Körpers gerichtet sein.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ist aber nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination der Merkmale einzelner oder mehrerer Schutzansprüche untereinander und/oder mit einzelnen oder mehreren Merkmalen des jeweiligen Ausführungsbeispiels. Insbesondere können somit Ausbildungen der Erfindung aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der allgemeinen Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen gewonnen werden.
Es zeigt:

1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Endoskop mit zwei Strahlumlenkeinrichtungen,
2 einen Querschnitt durch ein weiteres erfindungsgemäßes Endoskop mit zwei Prismen als Strahlumlenkeinrichtungen,
3 einen Querschnitt durch ein weiteres erfindungsgemäßes Endoskop,
4 drei Simulationsergebnisse eines auf das zu untersuchende Objekt abgebildeten und durch einen Defekt verformten Lichtmusters, das von einem Bildsensor des Endoskops detektiert wird,
5 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Endoskop mit einem abnehmbaren Endoskopkopf,
6 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Endoskops mit einem abnehmbaren Endoskopkopf mit seitlich und schräg nach vorne orientierter Blickrichtung;
7 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Endoskops mit einem abnehmbaren Endoskopkopf, der eine Blickrichtung nach vorne in Geradsicht realisiert.

Bei den in den 1, 2, 3, 5 und 6 dargestellten Ausgestaltungsbespielen von erfindungsgemäßen Endoskopen sind in ihrer Funktion übereinstimmende Elemente durch gleichartige Symbole dargestellt, auch wenn diese nicht immer mit entsprechenden Bezugszahlen versehen sind, um die Übersichtlichkeit der Zeichnungen zu gewährleisten.
Die 1 zeigt ein im Ganzen mit 1 bezeichnetes erfindungsgemäßes Endoskop, wobei ein Projektionskanal 3 bis zu einem distalen Ende 2 geführt ist. Der Projektionskanal 3 ist dabei im Wesentlichen durch eine Projektionsoptik 17 gebildet. Diese wird von einer Lichtquelle 5 beleuchtet, wobei das Licht der Lichtquelle 5 zunächst eine strahlformende Beleuchtungsoptik 29 durchläuft, um anschließend eine Vorrichtung 8 zur Erzeugung eines Lichtmusters zu passieren.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung durch eine Transmissionsmaske gebildet. Ein von dieser Transmissionsmaske erzeugtes Lichtmuster wird durch die Projektionsoptik 17 entlang des Projektionskanals 3 auf ein zu untersuchendes Objekt projiziert, welches in den Figuren schraffiert dargestellt ist.
Zu diesem Zweck ist eine als Spiegel ausgebildete Strahlumlenkeinrichtung 10 vorgesehen, die einen zentralen Projektionsstrahl 13 auf einen schematisch in 1 dargestellten Defekt einer zu untersuchenden Oberfläche lenkt. An dieser Defektstelle wird der Projektionsstrahl 13 reflektiert beziehungsweise gestreut. Ein Teil dieses Lichts trifft als ein Abbildungsstrahl 14 auf eine zweite Strahlumlenkeinrichtung 10, die ebenfalls als Spiegel ausgebildet ist und den Abbildungsstrahl 14 in eine Abbildungsoptik 18 lenkt, welche den Abbildungskanal 4 ausbildet. Nach Passieren einer Aperturblende 30, die gemäß einer Ausgestaltung Teil der Abbildungsoptik 18 und insbesondere als eine wellenlängenabhängige Aperturblende ausgebildet sein kann, trifft der Abbildungsstrahl 14 auf einen Bildsensor 6, der, wie die Vorrichtung 8 zur Erzeugung eines Lichtmusters, in einem distalen Endbereich 9 des Endoskops 1 angeordnet ist. Dieser Bildsensor 6 erzeugt somit ein Bild des mittels der Projektionsoptik 17 beleuchteten Defekts.
Wie gut in 1 zu erkennen ist, sind der Projektionskanal 3 und der Abbildungskanal 4 separat voneinander ausgestaltet, wobei jeder der Kanäle in einer Längsrichtung 7 des Endoskops 1 ausgerichtet ist. Ferner sind die beiden optischen Kanäle 3, 4 quer zur Längsrichtung 7 des Endoskops 1 voneinander beabstandet, so dass insbesondere ein optisches Übersprechen zwischen diesen Kanälen 3, 4 verhindert werden kann.
Wie durch die Pfeile in 1 angedeutet wird, lenken die beiden Strahlumlenkeinrichtungen 10 die beiden Lichtstrahlen 13 und 14 jeweils so ab, dass das Endoskop 1 eine seitliche Blickrichtung realisiert. Mit anderen Worten durchstoßen somit sowohl der Projektionsstrahl 13 als auch der Abbildungsstrahl 14 eine Seitenfläche 16 des Endoskops 1.
Der Projektionsstrahl 13, der einen Schwerpunktstrahl eines zur Triangulation verwendeten Projektionsstrahlbündels bildet, verläuft zentriert zum Projektionskanal 3. Zudem verlässt der Projektionsstrahl 13 die Projektionsoptik 17 parallel zu deren optischer Achse 25.
In analoger Weise verläuft der Abbildungsstrahl 14, der ein Schwerpunktstrahl eines zur Triangulation verwendeten Abbildungsstrahlbündels bildet, zentriert zum Abbildungskanal 4 und tritt in die Abbildungsoptik 18 parallel zu deren optischer Achse 26 ein. Aufgrund dieser Tatsache trifft das durch den zentralen Abbildungsstrahl 14 definierte Abbildungsstrahlbündel in der Längsrichtung 7 des Endoskops 1 auf den Bildsensor 6.
Gut zu erkennen in 1 ist ferner, dass die erste Strahlumlenkeinrichtung 10, welche den Projektionsstrahl 13 umlenkt, proximal in Bezug zur zweiten Umlenkeinrichtung 10 angeordnet ist, welche den Abbildungsstrahl 14 umlenkt. Durch diese axiale Versetzung der beiden Strahlumlenkeinrichtungen 10 in der Längsrichtung 7 des Endoskops 1 wird der zur Verfügung stehende Bauraum insbesondere in radialer Richtung optimal ausgenutzt.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Strahlumlenkeinrichtungen 10 innerhalb eines Schafts 19 des Endoskops 1 angeordnet. Somit befinden sich diese insbesondere innerhalb einer axialen Projektion des Endoskopschafts 19. Eine solche Projektion ist durch die gestrichelten Linien in der 6 angedeutet, die ein erfindungsgemäßes Endoskop 1 zeigt, mit einem abnehmbar ausgestalteten Endoskopkopf 28, der zwei Strahlumlenkeinrichtungen 10 aufweist, sowie eine zusätzliche Mikro-Kamera 27.
Nicht gezeigt in der schematischen Darstellung der 1 ist eine erfindungsgemäße Ausgestaltung, bei der die Abbildungsoptik 18 einen größeren Aperturdurchmesser als die Projektionsoptik 17 aufweist. Bei einer solchen Ausgestaltung würde die ansonsten bevorzugte symmetrische Anordnung der beiden optischen Kanäle 3, 4, wie in 1 illustriert, aufgebrochen, wobei selbstverständlich auch entsprechende Anpassungen der Größe der Strahlumlenkeinrichtungen 10 notwendig wären. Der Vorteil einer solchen asymmetrischen Ausgestaltung besteht darin, dass auch bei begrenztem, insbesondere radial begrenztem, Bauraum eine Abbildungsoptik 18 mit einem besonders hohen Auflösungsvermögen realisiert werden kann.
In der 2 sind das zuvor erwähnte Projektionsstrahlbündel und Abbildungsstrahlbündel jeweils durch gestrichelte Linien dargestellt, wobei die durchgezogenen Pfeile den Projektionsstrahl 13 beziehungsweise den Abbildungsstrahl 14 illustrieren. Wie gut zu erkennen ist, definiert das zur zweiten Umlenkeinheit 10 verlaufende Abbildungsstrahlbündel somit ein Sichtfeld, das von dem Bildsensor 6 erfasst und aufgenommen wird.
Die Mikro-Kamera 27, deren Blickfeld in 2 durch die gepunkteten Linien angedeutet ist, erfasst das Sichtfeld des Bildsensors 6 vollständig. Mit anderen Worten liegt somit das Sichtfeld des Bildsensors 6 innerhalb des Sichtfelds der Mikro-Kamera 27, zumindest in für eine Triangulation relevanten Arbeitsabständen. Gemäß der Erfindung ist es hierbei sogar vorteilhaft, wenn das Blickfeld der Mikrokamera 27 mindestens doppelt, insbesondere mindestens drei Mal, vorzugsweise mindestens fünf Mal, so groß wie das Sichtfeld des Bildsensors 6 ist, um ein möglichst schnelles Auffinden von Mikro-Defekten zu ermöglichen.
Anders als bei dem in 1 gezeigten Beispiel, bei dem die Lichtquelle 5 durch eine LED gebildet ist, ist bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die Lichtquelle 5 durch eine optische Faser 21 gebildet. Genauer sendet deren Lichtaustrittsfläche 22 Licht aus, welches durch eine Beleuchtungsoptik 29 in den Projektionskanal 3 gelenkt wird.
Das Ausführungsbeispiel der 2 zeigt ferner die Verwendung einer Strahlumlenkeinrichtung 10 bei der eine Lichtbrechung und eine Reflexion, jeweils an den optischen Grenzflächen 20 eines Prismas, ausgenutzt wird, um jeweils die beiden Lichtstrahlen 13 und 14 umzulenken. Zu diesem Zweck sind die Rückseiten der beiden als Strahlumlenkeinrichtung 10 dienenden Prismen jeweils verspiegelt ausgebildet. Durch diese konstruktive Ausgestaltung beträgt der erste Umlenkwinkel, um den die erste Strahlumlenkeinrichtung 10 den Projektionsstrahl 13 umlenkt, mehr als 90° und der zweite Umlenkwinkel, um den die zweite Umlenkeinrichtung 10 den Abbildungsstrahl 14 umlenkt, ebenfalls mehr als 90°. Dadurch ergibt sich die in 2 illustrierte, seitliche und leicht schräg nach vorne gerichtete Blickrichtung des Endoskops 1.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist einerseits der Triangulationswinkel 15 zwischen dem Projektionsstrahl 13 und dem Abbildungsstrahl 14 wesentlich kleiner als bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel.
Zum anderen beträgt der erste Umlenkwinkel in 3 gerade weniger als 90°, während der zweite Umlenkwinkel in etwa 90° beträgt. Diese Ausgestaltung wird dadurch erreicht, dass die erste Strahlumlenkeinrichtung in axialer Richtung, also in Längsrichtung 7 des Endoskops 1, distal versetzt zu der zweiten Strahlumlenkeinrichtung 10 angeordnet ist.
Im Ergebnis ergibt sich somit in 3 eine Blickrichtung des Endoskops 1, die seitlich und schräg nach hinten gerichtet ist.
Den Einfluss verschiedener Triangulationswinkel auf das Ergebnis einer berührungslosen optischen Vermessung mit einem erfindungsgemäßen Endoskop 1 zeigt die Bildfolge der 4: Während bei dem linken Bild der 4 mit einem Triangulationswinkel von 20° simuliert wurde und somit der Defekt gerade noch auflösbar ist, ist der Effekt der Kantenverschiebung durch den Defekt in dem rechten Bild der 4, das mit einem Triangulationswinkel von 10° simuliert wurde, wesentlich geringer, so dass hier die Genauigkeit der Tiefenmessung wesentlich schlechter ausfällt. Ein weiterer Effekt der auftreten kann, zeigt das mittlere Bild der 4, das bei einem Triangulationswinkel von 60° berechnet wurde: hier kommt es zu einer großen Schattenbildung, sodass eine genaue Messung nicht mehr möglich ist.
Um diesen praktischen Schwierigkeiten bei endoskopischen Untersuchungen zu begegnen, schlägt eine Ausgestaltung der Erfindung die in den 5 und 6 gezeigten Lösungen vor: Diese Ausführungsbeispiele weisen jeweils einen abnehmbaren Endoskopkopf 28 auf, der zwei erfindungsgemäße Strahlumlenkeinrichtungen 10 trägt.
In den 5 und 6 ist jeweils eine erste der beiden Strahlumlenkeinrichtungen 10 auf den Projektionskanal 3 beziehungsweise die Projektionsoptik 17 und eine zweite Strahlumlenkreinrichtung 10 auf den Abbildungskanal 4 beziehungsweise die Abbildungsoptik 18 ausgerichtet.
Wie durch die durchgezogene Linie, die zu der ebenfalls im Endoskopkopf 28 ausgebildeten Mikro-Kamera 27 verläuft, angedeutet ist, kann gemäß einer Ausgestaltung, eine elektrische Schnittstelle an dem Endoskopkopf 28 ausgebildet sein, insbesondere derart, dass von der Mikro-Kamera 27 bereitgestellte Bild- oder Rohdaten an das Endoskop 1 oder eine externe Kamerakontrolleinheit übertragbar sind.
Ein Vergleich der beiden 5 und 6 zeigt, dass die beiden erfindungsgemäßen Endoskope 1 identisch ausgebildet sind, mit Ausnahme des abnehmbaren Endoskopkopfs 28, der in 5 einen größeren Triangulationswinkel als in 6 realisiert.
Es ist ferner zu erkennen, dass der abnehmbare Endoskopkopf 28 in der 6 eine schräg nach vorne gerichtete Blickrichtung realisiert, während der in 5 gezeigte abnehmbare Endoskopkopf 28 eine strikt seitliche Blickrichtung realisiert. Hierbei beträgt in 5 der zweite Umlenkwinkel, um den der Abbildungsstrahl 14 von der Strahlumlenkeinrichtung 10 umgelenkt wird, gerade 90°.
Nur angedeutet in allen Figuren ist, dass, gemäß weiteren Ausgestaltungen, die Lichtquelle 5 und/oder die optische Vorrichtung 8 und/oder der Bildsensor 6 jeweils zu der optischen Achse 25 der Projektionsoptik 17 beziehungsweise zu der optischen Achse 26 der Abbildungsoptik 18 verkippt, oder sogar im Messbetrieb verkippbar, ausgestaltet sein können.
Für den Fachmann ist klar, dass derartige Verkippungen zu einer entsprechenden Verkippung des Lichtmusters auf der Objektoberfläche beziehungsweise zu einem leicht anderen Blickwinkel (bei Verkippung des Bildsensors 6) führen können, also zu Maßnahmen, mit denen die Qualität der Projektion und/oder die Abbildungsqualität je nach verwendetem Endoskopkopf 28 angepasst beziehungsweise verbessert werden können.
Schließlich zeigt die 7 eine Ausgestaltung eines Endoskops mit abnehmbaren Endoskopkopf 28, der eine Mikro-Kamera 27 sowie zwei Umlenkeinrichtungen 10 aufweist. Die Umlenkeinrichtungen sind dabei so eingerichtet, dass der Endoskopkopf 28 eine nach vorne orientierte Blickrichtung in Geradsicht realisiert. Auch hierbei kann die Mikro-Kamera 27 so ausgerichtet sein, dass ihr Blickfeld das Sichtfeld des Bildsensors 6 des Endoskops 1 teilweise oder vorzugweise vollständig erfasst.
Zusammenfassend wird zur Erhöhung der Messgenauigkeit als auch zur Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten eines Endoskops 1 vorgeschlagen, dass dieses eine Projektionsoptik 17 aufweist, mit der ein zu untersuchendes Objekt mit einem mittels einer Vorrichtung 8 in einem distalen Schaftabschnitt des Endoskops 1 erzeugten Lichtmusters, vorzugsweise schräg, beleuchtbar ist, sowie eine Abbildungsoptik 18, die dazu eingerichtet ist, von dem untersuchten Objekt reflektiertes und/oder gestreutes Licht, vorzugsweise in Schrägsicht, zu erfassen, wobei distal zu den beiden Optiken 17, 18 jeweils eine Strahlumlenkeinrichtung 10 angeordnet ist, sodass eine erste Strahlumlenkeinrichtung 10 einen von der Projektionsoptik 17 ausgehenden Projektionsstrahl 13 auf das Objekt lenkt, der von dem Objekt um einen Triangulationswinkel 15 umgelenkt wird, um anschließend von einer zweiten Strahlumlenkeinrichtung 10 als Abbildungsstrahl 14 in die Abbildungsoptik 18 und schließlich auf einen Bildsensor 6 des Endoskops 1 gelenkt zu werden.
Bezugszeichenliste

1: Endoskop
2: distales Ende (des Endoskops)
3: Projektionskanal
4: Abbildungskanal
5: Lichtquelle
6: Bildsensor
7: Längsrichtung (des Endoskops)
8: Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtmusters
9: distaler Endbereich (des Endoskops)
10: Strahlumlenkeinrichtung
11: distales Ende (des Projektionskanals)
12: distales Ende (des Abbildungskanals)
13: Projektionsstrahl
14: Abbildungsstrahl
15: Triangulationswinkel
16: Seitenfläche (des Endoskops)
17: Projektionsoptik
18: Abbildungsoptik
19: Endoskopschaft
20: optische Grenzfläche
21: optische Faser
22: Lichtaustrittsfläche
23: erster Umlenkwinkel (Projektionsstrahl)
24: zweiter Umlenkwinkel (Abbildungsstrahl)
25: optische Achse der Projektionsoptik
26: optische Achse der Abbildungsoptik
27: Mikro-Kamera
28: abnehmbarer Endoskopkopf
29: Beleuchtungsoptik
30: Aperturblende

Claims

Endoskop (1) mit einem zu einem distalen Ende (2) geführten Projektionskanal (3) und einem von dem distalen Ende (2) wegführenden Abbildungskanal (4), wobei eine Lichtquelle (5) vorgesehen ist, mit welcher der Projektionskanal (3) beleuchtbar ist und ein Bildsensor (6), mit dem ein über den Abbildungskanal (4) aufgenommenes Bild auswertbar ist, und wobei der Projektionskanal (3) und der Abbildungskanal (4) in einer Längsrichtung (7) des Endoskops (1) ausgerichtet und quer zur Längsrichtung (7) zueinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (6) und eine Vorrichtung (8) zur Erzeugung eines Lichtmusters in einem distalen Endbereich (9) des Endoskops (1) angeordnet sind und dass an distalen Enden (11,12) des Projektionskanals (3) und des Abbildungskanals (4) jeweils eine Strahlumlenkeinrichtung (10) ausgebildet ist, mit welcher Lichtstrahlen ablenkbar sind, sodass zwischen einem ausgehenden Projektionsstrahl (13) und einem einfallenden Abbildungsstrahl (14) ein Triangulationswinkel (15) gebildet ist, wobei mit den Strahlumlenkeinrichtungen (10) Lichtstrahlen seitlich ablenkbar sind, sodass der Projektionsstrahl (13) und/oder der Abbildungsstrahl (14) eine Seitenfläche (16) des Endoskops (1) durchstößt und das Endoskop (1) ein seitliches Blickfeld aufweist und wobei das Endoskop (1) eine Mikro-Kamera (27) umfasst, die in dem distalen Endbereich (9) angeordnet ist.
Endoskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Triangulation verwendetes Projektionsstrahlbündel zentriert zum Projektionskanal (3) verläuft und/oder dass der Bildsensor (6) zum Abbildungskanal (4) derart angeordnet ist, dass ein zur Triangulation verwendetes Abbildungsstrahlbündel zentriert zum Abbildungskanal (4) verläuft.
Endoskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumlenkeinrichtungen (10) zueinander in Längsrichtung (7) des Endoskops (1) distal oder proximal und/oder quer zur Längsrichtung (7) des Endoskops (1) versetzt angeordnet sind und/oder dass die Strahlumlenkeinrichtungen (10) innerhalb einer axialen Projektion eines Schafts (19) des Endoskops (1) angeordnet sind.
Endoskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder die Abbildungsoptik (18) mit von einer oder der Projektionsoptik (17) abweichenden optischen Eigenschaften ausgestaltet ist.
Endoskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Strahlumlenkeinrichtungen (10) eine Lichtbrechung und eine Reflexion, jeweils an einer optischen Grenzfläche (20), zur Strahlumlenkung ausnutzt.
Endoskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (8) zur Erzeugung eines Lichtmusters im Projektionskanal (3) ausgebildet ist.
Endoskop (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (8) als eine optische Transmissionsmaske oder Reflexionsmaske oder als ein diffraktives Element ausgebildet ist oder dass mindestens zwei Monomode-Fasern zur Beleuchtung des Projektionskanals (3) und Erzeugung eines Interferenzmusters vorgesehen sind.
Endoskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (5) durch mindestens eine optische Faser (21) gebildet ist.
Endoskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Umlenkwinkel (23), um den eine erste Umlenkeinrichtung (10) den Projektionsstrahl (13) umlenkt, mehr als 90° beträgt und/oder dass ein zweiter Umlenkwinkel (24), um den eine zweite Umlenkeinrichtung (10) den Abbildungsstrahl (14) umlenkt, mehr als 90° beträgt.
Endoskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Umlenkwinkel (23) weniger als 90° beträgt und/oder dass der zweite Umlenkwinkel (24) 90° oder weniger als 90° beträgt.
Endoskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Triangulationswinkel (15) weniger als 40° beträgt.
Endoskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (5) und/oder die optische Vorrichtung (8) zu einer optischen Achse (25) der Projektionsoptik (17) angeordnet ist/sind und/oder der Bildsensor (6) zu einer optischen Achse (26) einer oder der Abbildungsoptik (18) verkippt angeordnet ist/sind.
Endoskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (5) und/oder die optische Vorrichtung (8) zur optischen Achse (25) einer oder der Projektionsoptik (17) und/oder der Bildsensor (6) zur optischen Achse (26) der Abbildungsoptik (18) verkippbar ausgestaltet ist/sind.
Endoskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikro-Kamera (27) ein Blickfeld von 180° und/oder ein vom Bildsensor (6) aufnehmbares Sichtfeld vollständig erfasst.
Endoskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumlenkeinrichtungen (10) einen Spiegel oder ein Prisma oder ein dispergierendes Prisma oder einen Abatschen Keil oder ein Drehkeilpaar oder ein diffraktives Element aufweisen.
Endoskop (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumlenkeinrichtungen (10) in einem abnehmbaren Endoskopkopf (28) zusammengefasst sind.
Endoskop-Baukasten, bestehend aus einem Endoskopschaft (19) und einem ersten abnehmbaren Endoskopkopf (28), aus denen ein erstes Endoskop (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zusammensetzbar ist, und einem zweiten abnehmbaren Endoskopkopf (28), der an dem Endoskopschaft (19) befestigbar ausgestaltet ist, sodass ein zweites Endoskop (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zusammensetzbar ist.
Endoskop-Baukasten, nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite abnehmbare Endoskopkopf (28) einen von dem ersten abnehmbaren Endoskopkopf (28) abweichenden Blickwinkel und/oder Triangulationswinkel realisiert.
Verwendung eines Endoskops (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder eines Endoskop-Baukastens nach Anspruch 17 oder 18 für eine Triangulationsmessung.
Verwendung eines Endoskops (1), insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 oder eines Endoskop-Baukastens nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer endoskopischen Untersuchung mindestens zwei abnehmbar ausgestaltete Endoskopköpfe (28) verwendet werden, die jeweils zwei Strahlumlenkeinrichtungen (10) aufweisen, wobei die mindestens zwei Endoskopköpfe (28) unterschiedliche Blickrichtungen und/oder Triangulationswinkel realisieren und wobei wenigstens einer der abnehmbar ausgestalteten Endoskopköpfe (28) eine Mikro-Kamera (27) aufweist, sodass die Mikro-Kamera (27) in einem distalen Endbereich (9) des Endoskops (1) angeordnet ist.