DE19525768A1 - Optisches System für flexible Rohre - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Systeme im allgemei­ nen und optische Systeme im besonderen, welche Innenwände eines Rohres auf ein ebenes, zu dem Querschnitt des Rohres paralleles Bild projizieren.

Es ist oftmals erwünscht, in das Innere eines Rohres, wie eines Rohres bzw. einer Leitung, von Blutgefäßen und von Därmen oder dergleichen, hineinzuschauen. Zu diesem Zweck wurden Endoskope erfunden. Endoskope umfassen ein flexibles Rohr bzw. einen fle­ xiblen Schlauch, das bzw. der sich durch das Rohr bewegen kann, und ein optisches System an dem entfernten Ende des Schlauches zum Darstellen des Inneren des Rohres. Typischerweise weist das endoskopische optische System unmittelbar nach vorn bzw. zeigt das endoskopische optische System unmittelbar zu dem Vorderen des Rohres hin und weist ein Sichtfeld auf, das vor dem Rohr liegt. Daher bildet das optische System die Innenwände des Roh­ res und die Inhalte in dem Rohr ab, vorausgesetzt, daß die Ob­ jekte in die Tiefe des Sichtfeldes fallen.

Ein derartiges optisches System arbeitet gut mit unbiegsamen bzw. steifen oder halbstarren Rohren bzw. Schläuchen. Allerdings kann es die Innenwände eines flexiblen Rohres, wie von kleinen Därmen oder eines zusammenklappbaren Rohres bzw. eines Quetsch­ rohres, nicht abbilden, da die Örtlichkeit der Wände gegenüber dem optischen System nicht festgelegt ist und die abzubildenden Objekte sehr nahe zu den Linsen angeordnet sind. Insbesondere besteht das Problem, daß das zugängliche Sichtfeld auf die un­ mittelbare Nachbarschaft der vorderen Linse beschränkt ist und der Objektabstand für diese Linse nicht genau definiert ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches System zum Abbilden von Innenwänden flexibler Rohre zur Verfügung zu stellen.

Es ist daher in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung ein optisches System vor­ gesehen, das ein axialkonisches Element (axicon element) auf­ weist, welches wenigstens aus einem gedrehten Trapezoid gebildet ist, welches an den Innenwänden eines flexiblen Rohres anstößt bzw. die Innenwände eines flexiblen Rohres berührt. Das axialko­ nische Element weißt eine Objektebene auf, die sich in einem variablen Abstand zu einer Bildebene befindet, welche parallel zu der Basis des axialkonischen Elementes ist. Mit anderen Worte bildet das axialkonische Element eine konische bzw. kegelförmige Objektfläche.

Da die Oberseite des axialkonischen Elementes zuerst in das flexible Rohr eindringt, wenn das Rohr zusammengeklappt bzw. gequetscht ist, dient das axialkonische Element dazu, das Rohr zu öffnen bzw. aufzuweiten.

Das optische System umfaßt weiterhin eine Relaylinse bzw. eine Übertragungslinse (relay lense). Das axialkonische Element kom­ pensiert die Objektebene mit variablem Abstand. Die Relaylinse bildet das kompensierte Objekt auf einer Detektorebene bzw. Erfassungsebene ab.

In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das axialkonische Element zusätz­ lich ein Bohrloch auf und umfaßt auch das optische System eine Lichtquelle sowie einen Lichtleiter bzw. eine Lichtführung, der bzw. die sich von der Lichtquelle durch das Bohrloch erstreckt. Der Lichtleiter trägt Licht durch das Bohrloch aus. Er kann einen Überzug bzw. eine Abdeckung bzw. eine Umhüllung überall, mit Ausnahme innerhalb des Bohrloches, aufweisen.

Schließlich ist in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Ab­ bilden eines flexiblen Rohres vorgesehen. Das Verfahren umfaßt Schritte a) Drücken eines axialkonischen optischen Elementes, das eine konische Außenfläche aufweist, gegen Innenwände des Rohres, um dabei ein konisches Objekt auf wenigstens einem Teil der konischen Außenfläche zu erzeugen, und b) Übertragen einer ebenen kompensierten Darstellung des konischen Objektes an ein Detektorelement.

Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung, die in Verbindung mit den Zeichnungen erfolgt, besser verständlich und beurteilbar, wobei:

Fig. 1 eine Seitenansichtsdarstellung eines optischen Sys­ tems zum Betrachten der Innenwände von flexiblen Rohren ist, wobei das optische System in Überein­ stimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist und arbei­ tet,

Fig. 2 eine isometrische Darstellung der optischen Wege von vier Lichtstrahlen durch das optische System der Fig. 1 ist, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung des auf der Detektor­ ebene erhaltenen Bildes ist, die zum Verständnis der Arbeitsweise des optischen Systems der Fig. 1 nütz­ lich ist.

Es wird nun auf die Fig. 1 bis 3 Bezug genommen, welche ein optisches System der vorliegenden Erfindung und dessen Arbeits­ weise bzw. Betrieb darstellen. Das optische System ist typi­ scherweise an dem entfernten Ende eines rohrförmigen Gehäuses 10 angeordnet und wird verwendet, um sich durch ein flexibles Rohr 12 zu bewegen.

Das optische System umfaßt ein axialkonisches optisches Element (axicon optical element) 14, das ein winkliges Vorderende vor­ sieht, eine Relaylinseneinheit bzw. eine Übertragungslinsenein­ heit (relay lense unit) 16, einen Bilddetektor 18, eine Licht­ quelle 20 und einen Lichtleiter bzw. eine Lichtführung 22. Der Bilddetektor 18 ist typischerweise zu einer Symmetrieachse 29 zentriert, die auch als optische Achse des optischen Systems dient. Der Bilddetektor 18 umfaßt typischerweise einen Detektor bzw. eine Einfassungseinrichtung 24, wie ein Ladungsspeicher­ element bzw. einen ladungsgekoppelten Baustein (CCD), und einen zugeordneten bzw. damit verbundenen Treiber 26.

Das axialkonische Element 14 ist das Ergebnis einer Drehung eines Trapezoids um die Achse 29. Die Außenseiten des axialkoni­ schen Elementes 14 sind winklig. Da das axialkonische Element 14 das erste Element des optischen Systems ist, das in das flexible Rohr 12 eindringt bzw. eintritt, dient das axialkonische Element 14 dazu, das zusammengeklappte bzw. gequetschte flexible Rohr 12, durch welches sich das optische System bewegt, "zu öffnen" bzw. "aufzuweiten". Als ein Ergebnis werden die mit der Bezugs­ ziffer 40 versehenen Innenwände des flexiblen Rohres 12 gegen die Außenseiten des axialkonischen Elementes 14 gedrückt bzw. kommen an diesen zur Anlage.

Das axialkonische Element 14 weist typischerweise in dessen Mitte ein Bohrloch 30 auf, das durch eine abgerundete Abdeckung bzw. Kappe bzw. einen abgerundeten Aufsatz bzw. Deckel 32 abge­ deckt ist. Das axialkonische Bohrloch 30 kann zylindrisch oder winklig bzw. kegelförmig sein, wie in den Figuren gezeigt ist.

Der Lichtleiter 22 führt typischerweise Licht von der Lichtquel­ le 20, wie einer lichtemittierenden Diode (LED), in das Innere des Bohrloches 30. Der Lichtleiter 22 ist typischerweise ein Lichtwellenleiter bzw. eine Lichtleitfaser, die aus Glasfiber 34 gebildet ist, welche mit einem Überzug bzw. einer Abdeckung bzw. einer Umhüllung 36 beschichtet ist, die wirksam ist, um das Licht in dem Lichtleiter 22 zu halten. In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Bereich des Lichtleiters 22 innerhalb des Bohrloches 30 nicht mit einem Überzug 36 versehen, und kann daher das axialko­ nische Element 14 mit Licht versehen bzw. versorgt werden. Pfei­ le 38 zeigen die Richtungen an, die durch das Licht, welches durch den Lichtleiter 22 emittiert wird, genommen sind.

Der Lichtleiter 22 stellt Licht zur Verfügung, um die Innenwände 40 des flexiblen Rohres 12, das gegen das axialkonische Element 14 drückt, wenn sich das optische System der vorliegenden Erfin­ dung durch dieses hindurchbewegt, zu beleuchten bzw. anzustrah­ len. Das zu erfassende bzw. zu detektierende Objekt ist daher auf bzw. an der Oberfläche des axialkonischen Elementes 14 prä­ sent bzw. gegenwärtig.

Die zu erfassenden Objekte sind die Innenwände 40 eines flexiblen Rohres. Entsprechend der winkligen Form des axialkonischen Ele­ mentes 14 werden die Innenwände 40 gegen die Außenfläche des axialkonischen Elementes 14 gedrückt bzw. beaufschlagt, wobei die Erzeugung eines Objektes sichergestellt wird, dessen Abstän­ de zu dem Detektor 24 genau definiert sind. Das resultierende Objekt ist jedoch in bezug auf die optische Achse 29 geneigt bzw. schräg gestellt bzw. verkantet.

Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, bilden geneigte Ob­ jektbilder nur an geneigten bzw. schräggestellten bzw. verkan­ teten flachen Detektoren, die in einem Winkel zu der optischen Achse angeordnet sind, Bilder. Dieses Problem ist im Stand der Technik als die "Scheimpflug Condition" bekannt. Es ist in dem Manual of Photogrammetry, American Society of Photogrammetry, 1966, dritte Auflage, Bd. 1, Seiten 812 bis 813 diskutiert, welches Buch hierin unter Bezugnahme darauf enthalten ist. Die "Scheimpflug Condition" erfordert spezifisch, daß die geneigte Objektebene, die Hauptlinsenebene und die Bildebene in einem Punkt zusammenfallen müssen. Wenn mit herkömmlichen Linsen abge­ bildet, bilden konische Objekte konische Bildebenen, die dann wieder verzerrte und defokussierte Bilder auf einem flachen Detektor erzeugen.

Um die Form des zu erfassenden Objektes zu erzeugen, kompensiert das axialkonische Element 14 die konische Form des Objektes. Diese Kompensation ergibt sich aus der Tatsache, daß das axial­ konische Element 14 ein "Keil" als denn nur eine konische Fläche ist. Der "Keil" stellt sicher, daß Strahlen, die aus verschiede­ nen Teilen des geneigten Objektes stammen, verschiedenen Licht­ wegen bzw. optischen Weglängen folgen, wobei die optischen Län­ gen ausgestaltet sind, um im allgemeinen die "Scheimpflug-Condi­ tion" zu kompensieren. Das axialkonische Element 15 erzeugt daher ein senkrechtes Objekt und ermöglicht der Relaylinsenein­ heit 16, ein Bild auf dem Detektor 24 zu bilden, wenn der Detek­ tor 24 zu der optischen Achse 29 senkrecht ist.

Die Relaylinseneinheit 16 ist eine Weitwinkelrelaylinseneinheit, welche die Größe des senkrechten Objektes, das durch das axial­ konische Element 14 erzeugt ist, vermindert. Sie dient auch dazu, optische Aberrationen des optischen Systems auf ein Mini­ mum zu reduzieren. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, umfaßt die Relaylinseneinheit 16 zwei Linsen 41.

Das axialkonische Element 14 bildet ein torus-förmiges bzw. ringflächenförmiges Bild auf dem Detektor 24 ab. Ein Beispiel eines derartigen torus-förmigen erfaßten Bildes ist in der Fig. 3 dargestellt. Das torus-förmige Bild weist ein Loch 42 entspre­ chend der Anwesenheit des Bohrloches 30 auf.

In dem Beispiel der Fig. 3 befindet sich der mit 44 bezeichnete Flecken gegenwärtig nahe dem Bohrloch 30 und befindet sich der mit 46 bezeichnete Flecken gegenwärtig nahe der Außenkante des Elementes 14. Wenn sich das optische System weiter in das flexi­ ble Rohr 12 hineinbewegt, bewegt sich der Flecken 44 radial hin zu der Außenkante des Bildes der Fig. 3.

Das axialkonische Element 14 ist typischerweise aus jedem ge­ eigneten lichtdurchlässigen Material, wie Glas oder Kunststoff gebildet. Es weist eine axialkonische Außenfläche 50 (Fig. 2), mit einem Winkel α mit der Symmetrieachse 29, Seiten 52 und eine Innenfläche 54 auf.

Je kleiner der Winkel α ist, um so einfacher ist es für die Innenwände 40, sich entlang dem axialkonischen Element 14 zu bewegen. Wenn der Winkel α allerdings zu klein ist, kann ein Element 14 nicht in der Lage sein, die "Scheimpflug Condition" zu kompensieren.

Die Fig. 2 sieht eine Strahlenspurabbildung für vier Strahlen A, B, C und D vor. Es kann den Punkten A, B, C und D, die auf der Detektorebene bzw. der Erfassungsebene 24′ kenntlich gemacht sind, entnommen werden, daß das geneigte Objekt der Außenfläche 50 des axialkonischen Elementes 14 auf der flachen Detektorebene 24′ abgebildet wird. Es ist weiterhin ersichtlich, daß das axi­ alkonische Element 14 das Bild nicht fokussiert.

Die folgenden sind Parameter des optischen Systems der vorlie­ genden Erfindung für eine beispielhafte Ausführungsform:
Außendurchmesser des Rohrgehäuses 10 : 8 mm
Winkel α der axialkonischen Außenfläche 50: 25-35°
Durchmesser des Detektors 24: 2,5-6,0 mm
effektive Brennweite des optischen Systems: 2 mm
F/# des Elementes 14 von der Bildseite: F/2,3
Vergrößerung: M×1/4
ringförmiges Sichtfeld: zwischen 12° und 20°
Bildgröße auf dem Detektor 24:
Außendurchmesser: 1,8 mm
Innendurchmesser: 0,6 mm
Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung ist die Abdeckung 32 aus einer Linse gebildet, was dabei gestattet, die Mitte des flexiblen Rohres abzubilden. Dies er­ fordert jedoch, daß die Beleuchtung nicht durch das Bohrloch, sondern von der Seite des Gehäuses 10 erfolgt.

Es ist für Fachleute verständlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf dasjenige beschränkt ist, was zuvor im einzelnen ge­ zeigt und beschrieben worden ist. Der Schutzbereich der vorlie­ genden Erfindung wird vielmehr durch die Patentansprüche defi­ niert.

Claims (8)

1. Optisches System zum Abbilden von Innenwänden eines flexi­ blen Rohres, wobei das optische System umfaßt:

• a) ein axialkonisches optisches Element mit einer konischen Außenfläche, die, wenn die konische Außenfläche mit den Innen­ wänden in Kontakt steht, ein konisches Objekt auf der konischen Außenfläche zum Kompensieren der konischen Form des konischen Objektes erzeugt,
• b) einen Bilddetektor, und
• c) eine Relayeinheit, die das kompensierte Objekt auf den Bilddetektor überträgt.

2. Optisches System nach Anspruch 1, bei welchem das axialko­ nische optische Element eine Symmetrieachse und ein Bohrloch, das zu der Symmetrieachse zentriert ist, aufweist.

3. Optisches System nach Anspruch 1, welches eine Lichtquelle und eine Lichtführung, die sich von der Lichtquelle zu dem axi­ alkonischen optischen Element erstreckt, umfaßt.

4. Optisches System nach Anspruch 2, welches eine Lichtquelle und einen Lichtleiter, der sich von der Lichtquelle zu dem axi­ alkonischen optischen Element erstreckt, umfaßt.

5. Optisches System nach Anspruch 3, bei welchem sich der Lichtleiter von der Lichtquelle bis in das Bohrloch erstreckt und bei welchem der Lichtleiter einen Überzug überall bis auf das Innere des Bohrloches aufweist.

6. Optisches System nach Anspruch 4, bei welchem sich der Lichtleiter von der Lichtquelle bis in das Bohrloch erstreckt und bei welchem der Lichtleiter einen Überzug überall bis auf das Innere des Bohrloches aufweist.

7. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem das axialkonische Element vor der Relayeinheit und dem Bilddetektor angeordnet ist, um dabei zuerst in das flexible Rohr einzutreten und das flexible Rohr zu öffnen, wenn es ge­ quetscht ist.

8. Verfahren zum Abbilden eines flexiblen Rohres, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

• a) Drücken eines axialkonischen optischen Elementes, das eine konische Außenfläche aufweist, gegen Innenwände des Rohres, um dabei ein konisches Objekt auf wenigstens einem Teil der koni­ schen Außenfläche zu erzeugen, und
• b) Übertragen einer kompensierten Darstellung des konischen Objektes auf ein Detektorelement.