EP2115385A1 - Refraktive erzeugung eines konzentrisch aufgefächerten strukturierten lichtstrahlenbündels, optische messvorrichtung mit refraktivem ablenkungselement - Google Patents

Refraktive erzeugung eines konzentrisch aufgefächerten strukturierten lichtstrahlenbündels, optische messvorrichtung mit refraktivem ablenkungselement

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EP2115385A1
EP2115385A1 EP08708252A EP08708252A EP2115385A1 EP 2115385 A1 EP2115385 A1 EP 2115385A1 EP 08708252 A EP08708252 A EP 08708252A EP 08708252 A EP08708252 A EP 08708252A EP 2115385 A1 EP2115385 A1 EP 2115385A1
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EP
European Patent Office
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optical
light
optical axis
illumination
angle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08708252A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Kunz
Anton Schick
Michael Stockmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2115385A1 publication Critical patent/EP2115385A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/06—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor with illuminating arrangements
    • A61B1/0605—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor with illuminating arrangements for spatially modulated illumination
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/107—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof
    • A61B5/1076—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof for measuring dimensions inside body cavities, e.g. using catheters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/24—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes
    • G02B23/2407—Optical details
    • G02B23/2461—Illumination
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat

Definitions

  • Refractive generation of a concentrically structured light beam, optical measuring device with refractive deflecting element Refractive generation of a concentrically structured light beam, optical measuring device with refractive deflecting element.
  • the present invention relates to an optical deflection element with which a primary homogeneous light beam can be fanned out in a cone-shaped manner.
  • the present invention further relates to an optical measuring device for three-dimensionally measuring a cavity formed in an object, which optical measuring device has said optical deflecting element.
  • the present invention relates to a method for generating a concentrically fanned, spatially structured light beam using said optical deflection element.
  • the surface structure of at least approximately tubular inner surfaces of a cavity can be detected three-dimensionally by means of optical triangulation.
  • a spatially structured illumination pattern is projected onto the inner surface of the respective cavity to be detected and the scene digitally captured by means of a camera system.
  • Measurement of the resulting from the surface shape distortion of the projected to the inner wall illumination pattern which can be carried out by known methods of image processing in an automatic manner, a digital model, which images the shape of the cavity can be calculated.
  • deviations or distortions of the detected projected lines from the known, initially symmetrical and concentric to an optical axis circular shapes are detected.
  • Such a cavity measurement by means of optical triangulation can advantageously in the measurement or be used in profiling the human ear canal.
  • an optical measuring device which must not exceed a maximum diameter of 4 mm.
  • This boundary condition applies to the entire object-side optics of such an optical measuring device, which cavity measurement optics must be introduced into the ear canal.
  • the object-side optics comprises at least one camera system and an optical element for generating the structured illumination.
  • the camera system and the optical element are arranged concentrically to a common optical axis of the optical measuring device.
  • phase gratings which are also known as so-called Dammann gratings, as a result of a particularly advantageous substructure, can selectively and possibly evenly distribute the incident intensity of a primary light beam to specific diffraction orders.
  • the invention has for its object to provide an optical deflection element which allows a wide fanning of a primary light beam and which can also be manufactured in a relatively simple manner.
  • Independent claim 1 describes an optical deflection element for the refractive generation of a spatially structured light beam that is fanned concentrically with respect to an optical axis of the deflection element.
  • the optical deflecting element has a main body which is at least partially made of an optically transparent material and which has a light input side and a light output side.
  • the light input side is designed such that a primary light beam can be coupled into the main body.
  • the light output side has, relative to the optical axis of the deflection element, a cylindrically symmetrical contour which defines a recess in the base body.
  • the described optical deflection element is based on the knowledge that a concave, i. inwardly curved cylindrically symmetrical contour on the light output side by refraction at the corresponding optical interface in a simple manner a comparatively wide
  • the angle which the respective radial region of the contour encloses with the optical axis in accordance with the refractive law of Snellius determines the strength of the spatial fanning.
  • the described optical deflection element can be compared to known diffractive optical elements with a significantly lower production costs are produced.
  • pressing methods are also suitable which, in particular, can be considered suitable for low-cost mass production.
  • the contour has a first annular portion, which has substantially the shape of at least a part of a first lateral surface of a directed into the interior of the main body pers cone.
  • the generatrices of the first lateral surface include a first angle with the optical axis.
  • the contour essentially has the shape of a complete cone sheath, the above-mentioned condition of a cylindrically symmetrical contour is automatically fulfilled. If the contour has the shape of an incomplete conical jacket, the above-mentioned condition of a cylindrically symmetrical contour is fulfilled when the contour has the shape of the lateral surface of a truncated cone.
  • generatrices are to be understood as meaning those lines which run along the jacket of the cone, which represents a body of revolution, along its axis of rotation. In this case, the axis of rotation coincides with the optical axis of the deflection element or the base body.
  • the generatrices are thus the connecting distances between the real or the virtual tip of the cone or the truncated cone and the edge points of the corresponding base circle.
  • the described first angle between the generatrices and the optical axis is exactly half the size of the opening angle of the cone directed into the interior of the main body.
  • the contour has a second annular portion, which is arranged in the radial direction outside of the first annular portion and which has substantially the shape of a second lateral surface of a truncated cone.
  • the generatrices of the second lateral surface with the optical axis close a second
  • annular sections thus represent different essentially conically shaped facets arranged concentrically with respect to one another.
  • each facet fans out the primary light beam in a cylindrically symmetrical manner with a specific opening angle, depending on the cone's opening angle and the refractive index of the basic body material.
  • the light beam emerging from the light exit surface thus has two conical mantle-shaped light structures which have a different opening angle.
  • annular projection lines can be generated on the inner wall of the cylindrical cavity.
  • the contour has at least a third annular portion, which is arranged in the radial direction outside the second annular portion and which has substantially the shape of a third lateral surface of a truncated cone.
  • the generatrices of the third lateral surface with the optical axis enclose a third angle, which is different from the second angle.
  • the third angle is also different from the first angle, so that all cone-shaped light structures emerging from the light exit surface have a different opening angle.
  • cylindrically symmetrical contour can also be divided into more than three annular sections.
  • the primary light beam bundle coupled to the light input side can, in principle, be structurally arbitrarily finely spatially structured so that a large number of cone-shaped light structures can be generated in a simple manner.
  • the structure of the entire illumination pattern can be adapted particularly well to the expected shape of an auditory canal to be measured.
  • the projection of a plurality of concentric rings under different angles to the optical axis on the inner wall of the auditory canal is not considered to be particularly suitable.
  • illumination angles are in relation to the optical axis
  • the triangulation angle is defined as usual by the angular distance between the beam path of the illumination light and the beam path of the measurement light detected by the camera.
  • the angular difference between the first angle and a right angle is greater than the angular difference between the second angle and a right angle.
  • the described design of the different conical facets with graded angles of inclination has the advantage that the optical deflecting element can be produced in a particularly simple manner.
  • the cylindrically symmetrical recess may be formed by a two-stage machining process in which (a) a first conical recess with a small opening angle is associated with the first annular portion, and a second conical recess with a large opening angle is associated with the second annular portion.
  • the order of the processing steps (a) and (b) does not matter.
  • the angular difference between the first angle and a right angle is smaller than the angular difference between the second angle and a right angle. That is, with respect to a cross-sectional plane to the optical axis, the outer cone-shaped facets have a steeper slope than the inner cone-shaped facets.
  • the graded angle of inclination described with this embodiment have the advantage that those light rays which emerge from the main body at the outer annular section from the light output side are refracted more away from the optical axis than those light rays which are incident on the lateral surfaces emerge from the main body of further inner annular portions of the light output side.
  • the beam paths of the individual emerging from the light output side light structures do not intersect, so that the course of the individual beam paths is particularly clear.
  • the first annular portion in the form of at least a portion of a first lateral surface of a directed into the interior of the body cone, the second annular portion has the shape of a second lateral surface of a truncated cone and / or the third annular portion has the shape of a third lateral surface of a truncated cone.
  • the described as exactly conical or truncated cone-shaped recess has the advantage that the recess can be formed in an effective and at the same time very simple manner in the body.
  • different methods such as mechanical turning, pressing or hot stamping may be used to make the optical deflecting element.
  • the first annular portion, the second annular portion and / or the third annular portion has a curved surface.
  • the respective surfaces can independently of one another have a concave or a convex surface.
  • the described curvature in the individual annular sections has the advantage that the light rays emerging from the various slightly curved cone-shaped facets can be individually focused.
  • a convex optical interface of one facet leads to one slight focusing of the corresponding light structure. If focusing of the light structure on an annular line is also provided without a concave boundary surface, a slightly concave optical interface of one facet leads to a rearward focus shift of the corresponding light structure, ie to a location farther from the light output side of the optical deflection element than the one called annular line.
  • the base body the outer shape of a cylinder, in particular a circular cylinder, on.
  • the described optical deflection element can thus be made, for example, from a so-called rod lens.
  • the main body of the optical deflecting element is preferably at least partially made of a material having a high refractive index. This applies in particular to a wavelength of approximately 405 nm. This has the advantage that coherent light from conventional semiconductor laser diodes can be fanned out particularly strongly. In addition, light with this comparatively short wavelength in the optical spectrum has a significantly lower penetration depth into the human skin than longer-wave light.
  • the light input side has a convex curvature.
  • convex curvature means that the light entrance side also has a contour which is curved outward with respect to the base body. In the case of a conventional spherical surface-like contour, this means that the center of curvature of the corresponding spherical surface with respect to the light input side is on the side of the main body.
  • the convex curvature has the advantage that as a result of the refraction of the light input at the base body in a the primary light beam bundle is focused depending on the strength of the curvature.
  • the curvature of the light input side can be adapted to the respective application.
  • the focusing can be adjusted such that the light structures represent sharp and as fine a line of illumination on the inner wall of the cavity to be measured.
  • the light input side has a curved first annular portion and at least one curved second annular portion.
  • the respective surfaces can have a concave or a convex surface independently of each other.
  • the individual curvature of the individual annular sections on the light input side has the advantage that the light beams emerging from the different cone-shaped facets can be individually focused.
  • a convex optical interface of a facet leads to a slight focussing of the corresponding light structure. If, even without a convex boundary surface, a focusing of the light structure is given on an annular line, a slightly concave optical interface of a facet leads to a rearward focus shift of the corresponding light structure, i. to a location farther from the light output side of the optical deflecting element than the said annular line.
  • the individual curvature of the individual annular sections on the light input side can be compared to the individual curvature of the annular sections on the light output side by conventional processing methods such as mechanical turning, pressing or hot stamping are made much easier. This is because the light input side has a much simpler topology compared to the light output side, so that the corresponding curvatures can be formed more easily.
  • the base body has a passage opening which extends coaxially to the optical axis.
  • optical deflection element is used for a compact optical measuring instrument with which the size and / or the shape of the cavity is measured by the spatial measurement of illumination lines which are projected onto the inner wall of a cavity ,
  • the passage opening is a core bore, which has the shape of a cylinder concentrically arranged to the optical axis.
  • the described core bore has the advantage that the optical deflection element can be produced in a particularly simple and thus cost-saving manner.
  • Claim 14 describes an optical measuring device for three-dimensional measuring of a cavity formed in an object, in particular for the three-dimensional measurement of the auditory meatus of a human or animal living being.
  • the optical measuring device comprises (a) a light source adapted to emit illumination light along an illumination beam path, (b) an optical deflection element of the type described above A type which spatially structures the emitted illuminating light such that at least one illumination line circulating around the optical axis of the deflecting element is produced on the inner wall, the shape of which depends on the size and shape of the cavity, and (c) a camera which passes over an imaging beam path which detects at least one illumination line at a triangulation angle.
  • the cited optical measuring device is based on the recognition that a three-dimensional (3D) measurement of the cavity can be realized in a simple manner by means of a cylindrically symmetrical structured illumination projected onto the inner wall of the cavity to be measured using a modified triangulation method.
  • the shape of the at least one illumination line is detected by the camera, which preferably receives a two-dimensional (2D) image of the projection ring or of the projection rings symmetrically with respect to the optical axis. Based on the deviations or distortions of the detected illumination line from symmetrical circular shapes concentric with the optical axis, the inner wall of the cavity can be measured in 3D.
  • the described optical measuring device Compared with three-dimensional distance sensors, in which only one measuring point is illuminated and the height position of the illuminated measuring point is detected, the described optical measuring device has the advantage that a plurality of measuring points, which are arranged around the optical axis, are quasi-simultaneously (automatically) measured. This results in a significantly increased scanning speed overall.
  • a plurality of illumination structures are generated, wherein each of the generated illumination structures in each case has the shape of a conical surface.
  • the number of simultaneously detectable by a single camera image measurement points can be further increased.
  • resulting lighting rings which are concentric with the optical axis or arranged.
  • warped illumination lines are obtained which have an elliptical shape with respect to the optical axis.
  • adjacent illumination lines in a first wall region of the inner wall which is farther away from the optical axis than a second wall region, are further apart from each other. This is due to the fact that due to the conical fanning of the individual illumination structures, adjacent illumination lines are spaced further apart with increasing distance from the optical axis. It thus becomes clear that both the deviation of the 3D shape of the illumination lines captured by the camera from an ideal circular shape and the spacing of adjacent illumination lines provide information about the 3D contour of the cavity.
  • Lighting line includes 3D information regarding the size and shape of the cavity to be measured. Nevertheless, it is advantageous in particular for reasons of measuring speed and spatial resolution to structure the illumination light emitted by the light source into a plurality of conically widened illumination structures.
  • the detection of the illumination lines at a triangulation angle means that the beam path of the imaging light with the beam path of the illumination light, ie with the respective opening angle of the conical illumination structure, includes an angle other than 0 °. This angle is called the triangulation angle. The larger this triangulation angle, the higher the accuracy of the 3D position determination.
  • the described optical measuring device has the advantage that no moving parts and in particular no moving optical components are required for the 3D measurement within the measuring device. This means that the optical measuring device can be manufactured comparatively inexpensively and, furthermore, that the reliability of the measuring device is very high even under real operating conditions.
  • the entire measuring device can preferably be displaced along the optical axis.
  • the partial images recorded in such a movement can be reassembled by means of suitable image processing methods. Such composing is often referred to as "stitching".
  • the optical measuring device additionally has an evaluation unit, which is arranged downstream of the camera and which is set up such that the size and the shape of at least part of the cavity are detected by image processing of the at least one illumination line detected by the camera is automatically determinable.
  • the described evaluation unit thus advantageously makes possible an automatic image evaluation of the 2D images captured by the camera, so that as output variable of the optical measuring device directly 3D data of the measured cavity can be provided for further data processing.
  • the optical measuring device in addition to a projection optics, which is arranged in the illumination beam path. This has the advantage that optionally in combination with a suitable curvature of the essentially cone-shaped facets of the light output side, a focusing of the illumination light can be achieved so that the illumination lines are imaged as sharply as possible on the inner wall of the cavity to be measured and consequently as sharp Structures can be captured by the camera.
  • the optimum choice of the focal length of this optics thus depends on the fanning out of the illumination beam impinging on the optics, on the optical path length of the illumination light between the optics and the optical deflection element and on the optical path length between the optical deflection element and the inner wall.
  • the focal length of this optic should depend not only on the design of the described optical measuring device, but also on the approximate expected size of the cavity to be measured.
  • the convex curvature described above in connection with an exemplary embodiment of the optical deflection element of the light input side of the base body has qualitatively the same effect as the projection optical system described here. The same applies to the curvatures of the substantially conical facets on the light output side.
  • the optical measuring device additionally has a beam splitter arranged at an oblique angle in the optical axis of the deflection element. This beam cost deflects the illumination beam path in such a way that either (a) an object-side section of the illumination beam path runs parallel to the optical axis or (B) an image-side portion of the imaging beam path is at an angle to the optical axis.
  • oblique angle means that the beam splitter is arranged at an angle not equal to 0 ° and unequal to 90 ° with respect to the optical axis.
  • the beam splitter is inclined at an angle of 45 ° to the optical axis, so that the illumination beam path or the imaging beam path has a kink of 90 °.
  • At least a portion of the illumination beam path, in which the illumination light is guided parallel to the optical axis, is formed around the imaging beam path running centrally in the optical axis.
  • the illumination beam path in a cross section to the optical axis can be round-symmetrical, i. be arranged concentrically around the optical axis or the imaging beam path around.
  • the optical deflection element for example, the above-described refractive optical deflection element is suitable, which has a core bore.
  • the illumination beam path and the imaging beam path can also run partially coaxially.
  • the illumination beam path and the imaging beam path are spatially separated on the object side, ie in the vicinity of the illumination lines to be measured, so that a triangulation angle is given.
  • An object-side splitting of illumination beam path and imaging beam path for example, by suitable beam splitter or by a Fiber optic take place whose object-side end is split into two spatially separated dividend ends.
  • the optical measuring device in addition to a light-conducting device which is arranged in the imaging beam path and which is adapted for transmitting a two-dimensional image of the illumination lines to the camera.
  • a mechanically relatively rigid rod lens arrangement can be used, as used for example in endoscopes.
  • a light-guiding device and an endoscopic system based on a gradient optics can be used, in which the refractive index changes depending on the radius.
  • a curvature of the light beams can be achieved within the light-conducting device, so that, as a result, the camera can detect imaging beams from a wide angle range.
  • a Hopkins optic for example, may be a type of glass tube in which lenses are inserted from air, thus allowing a particularly detailed insight in endoscopic examinations. This advantage of the particularly detailed insight also leads to a particularly high accuracy and reliability of the 3D measurement in the described optical measuring device.
  • a light-conducting device is also a so-called image light guide, which includes a plurality of individual optical fibers or glass fibers.
  • An image light guide has the advantage that it is flexible, so that the optical measuring device in an at least partially flexible Construction can be realized. This allows accurate cavity measurement even with curved cavities into which a rigid measuring device can not be inserted.
  • Claim 20 describes a method for producing a concentrically fanned, spatially structured light beam.
  • the method includes the step of emitting a primary beam of light onto an above-described optical deflection element so that the primary light beam at the light input side enters the base body of the optical deflection element and emerges from the base body as a secondary light beam at the light output side.
  • the secondary light beam has at least one cone-shaped light structure.
  • the above method is based on the finding that a broad fanning out of the secondary light beam can be realized in a particularly simple manner by using the above-described refractive optical deflection element in comparison to the use of known diffractive optical deflection elements.
  • a wide fanning out means that the corresponding conical coats have a large opening angle.
  • the corresponding conical tips of the fanned light cones can coincide in a real source point, which source point lies on the optical axis.
  • real source point means that the illumination structures emanate at least approximately from a source point located on the optical axis.
  • the base body as described above in a preferred embodiment, has a through hole or a core hole, the secondary light beam emerges from at least one annular portion which is arranged concentrically around the optical axis.
  • the corresponding cone tip can be understood as the real source point of the cone-shaped fanned secondary light beam.
  • Figure Ia shows a cross-sectional view of an optical
  • Measuring device according to an embodiment of the invention.
  • Figure Ib shows a camera image with four images of the
  • Inner wall of a cavity to be measured projizier ⁇ th illumination lines Inner wall of a cavity to be measured projizier ⁇ th illumination lines.
  • FIG. 1c shows a front view of the object-side end of the optical measuring device illustrated in FIG.
  • Figure 2 shows the formed on the object-side end of the optical measuring device illustrated in Figure Ia beam paths of the illumination light and the Abbil ⁇ dung light beam paths which determine the triangulation angle ⁇ .
  • FIG. 3 shows a simulation of the refractive production of a single cone-shaped light structure.
  • FIG. 4a shows a perspective view of an optical deflection element which has two cone-shaped facets.
  • Figure 4b shows a construction drawing for the optical deflection element shown in Figure 4a.
  • FIG. 4c shows a simulation of the refractive generation of two cone-shaped light structures by means of the optical deflection element shown in FIG. 4a.
  • FIG. 5 shows a simulation of the refractive generation of three cone-shaped light structures, which are formed by a three-cone-shaped optical deflection element
  • FIG. 6 shows an optical deflection element, in which the annular sections each have a convex curvature on the light exit side.
  • FIG. 7 shows an optical deflection element in which the light input side has two curved annular sections, each with a convex curvature.
  • FIG. 1a shows a cross-sectional view of an optical measuring device 100 according to an embodiment of the invention.
  • the optical measuring device 100 has a cylindrically symmetrical shape with respect to an optical axis 117.
  • the optical measuring device 100 has a light source 110, which according to the embodiment shown here is a laser diode 110.
  • a laser diode 110 emits monochromatic illumination light 111, which strikes a projection optics 112, which expands the illumination beam 111.
  • the expanded illumination beam 111 strikes a beam splitter 113 oriented at an angle of 45 ° with respect to the optical axis 117, so that depending on the reflectivity of the beam splitter 113, at least part of the illumination light 111 is coupled into a hollow cylinder 115, which is symmetrical is arranged to the optical axis 117.
  • an optical shading element 114 is arranged between the beam splitter 113 and the laser diode 110.
  • the deflected by the beam splitter 113 illumination light is guided by the hollow cylinder 115 in an illumination beam path 116.
  • the illumination beam path 116 is formed cylindrically symmetrical to the optical axis 117.
  • the illumination light strikes an optical deflection element 150, which likewise has a cylindrically symmetrical shape and is arranged cylindrically symmetrical about the optical axis 117.
  • the optical deflection element 150 is an optically refractive element, which will be explained in more detail below with reference to FIGS. 3, 4a and 4b.
  • the optical deflection element 150 spatially structures the illumination light in such a way that concentric to the optical axis 117 a plurality of illumination structures 122 are produced, each of which has the shape of a cone shell 122 and projecting onto the inner wall of a cavity 125 to be measured. be graced. For reasons of clarity, only one illumination structure 122 is shown in FIG.
  • the camera 145 and the laser diode 110 may also be interchanged using a corresponding beam splitter 113.
  • a beam splitter for example, a transmission-selective glass plate can be used, which is mirrored in the middle within a small elliptical area so that not the laser beam but the image in the center of the illumination beam path 116 is coupled out.
  • the cavity to be measured is an auditory canal 125 of a patient.
  • the ear canal 125 typically has a diameter d of about 4 mm.
  • the measuring device 100 can also be used to measure other cavities.
  • the three-dimensional shape of boreholes can be measured accurately before exactly matching rivets for a particularly reliable rivet connection, for example in aircraft, can be selected.
  • the projection of the illumination structure 122 onto the inner wall of the cavity 125 results in a closed illumination line 128 whose shape depends on the size and shape of the cavity 125.
  • the sharpness of the illumination lines 128 depends on the focusing of the illumination structures 122 on the inner wall. For this reason, the focal length of the projection optics 112 may be adjusted to produce sharp lines of illumination 128 with an approximate expected size of the cavity to be measured on the interior wall of the cavity.
  • the size and shape of the individual illumination lines 128 are detected by a camera 145. This is done via a This imaging light 130 is collected by means of an imaging optics 132, which has a particularly short focal length.
  • the imaging optics 132 may also be referred to as a fish eye due to the extremely wide acceptance angle.
  • the imaging light 130 collected by the imaging optics 132 is guided to the image-side end of the optical measurement device 100 by means of a light-conducting device 135.
  • the light-conducting device is a rod lens arrangement 135 which is also used, for example, in medical technology in endoscopic devices.
  • the second imaging optics may be formed integrally with the rod lens arrangement 135, in that the corresponding end face and the cavity facing interface of a corresponding rod lens has an extremely strong curvature.
  • the rod lens assembly 135 has a plurality of individual rod lenses 135a, which together give a length 1 of about 50 mm. Of course, the rod lens assembly 135 may also have any other length. The rod lens assembly 135 may also be a so-called Hopkins lens assembly.
  • the rod lens arrangement 135 thus defines an imaging beam path 136, which extends along the optical axis 117 towards the image-side end of the optical measuring device 100.
  • the imaging beam path 136 and the illumination beam path 116 are each arranged cylindrically symmetrical to the optical axis 117, wherein the illumination beam path 116 is located outside the imaging beam path 136.
  • a design of the optical measuring device is conceivable in which design of the imaging beam Lengang runs outside the illumination beam path.
  • a spatial separation of illumination light 122 and imaging light 130 must take place so that the projected illumination lines 128 can be detected at a triangulation angle and thus the 3D contour of the cavity 125 can be determined.
  • a triangulation angle is always given when the illumination, ie here the generation of the illumination lines 128 takes place at a different angle than the observation, ie here the illustration of the illumination lines 128 towards the camera 145.
  • the imaging light 130 guided in the rod lens arrangement 135 strikes the beam splitter 113.
  • the beam splitter is penetrated by at least a part of the imaging light 130 only with a certain parallel offset. This parallel offset depends on the thickness, the refractive index and the angular position of the beam splitter 113 relative to the optical axis 117.
  • the remaining part of the imaging light 130 is reflected at the beam splitter and strikes the optical shading element 114 or the laser diode 110 as loss light.
  • the portion of the imaging light 130 that passes the beam splitter strikes an imaging optic 142 and is imaged by it onto the camera 145. Accordingly, the camera 145 captures a camera image 148 which, depending on the shape of the cavity 125, displays images 149 of the illumination lines 128 which are distorted, in particular, in the edge region of the camera image 148.
  • Figure Ib shows such an example
  • FIG. 1 c shows a front view of the object-side end of the optical measuring apparatus 100.
  • the imaging optics 132 surrounded by the optical deflection element 150 can be seen.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional representation of the beam paths of the illumination light 222 and the imaging light 230 formed at the object-side end of the optical measuring device 100, which is now designated by the reference numeral 200.
  • a mean projection or illumination angle ß For a specific illumination line 228 shown in FIG With respect to the optical axis 217 a mean projection or illumination angle ß.
  • the optical deflector 250 has a middle one
  • an imaging angle ⁇ results for the illustrated illumination line 228 with respect to the optical axis 217.
  • the imaging light 230 is collected by the imaging optics 232 arranged centrally on the optical axis 217.
  • this triangulation angle ⁇ also depends on the longitudinal distance ⁇ l. This longitudinal distance ⁇ l results from the distance parallel to the optical axis 217 between the deflection element 250 and the imaging optics 232.
  • FIG. 3 shows a simulation of the refractive generation of a single cone-shaped illumination structure 322.
  • a primary light beam 311 passes through a light input side 360 into the base body 352 of the optical deflection element 350.
  • the light output side 370 opposite the light input side 360 has a cone-shaped facet 371, so that in the main body a conical Recess is formed.
  • the light beam penetrated into the main body is widened to form the cone-shaped illumination structure 322.
  • a lighting line 328 is formed on a cylindrical inner surface (not shown) of a cavity to be measured.
  • Figures 4a and 4b show an optical deflector 450 having two cone-shaped facets, a first cone-shaped facet 471 formed in a first annular portion, and a second cone-shaped facet 472 formed in a second annular portion.
  • FIG. 4 a shows the optical deflection element 450 in a perspective view
  • FIG. 4 b shows a construction drawing of the optical deflection element 450.
  • the optical deflection element 450 has a substantially cylindrical main body 452, in which a passage opening 454 is formed. According to the embodiment shown here, the main body 452 has a diameter of 3 mm and a length of 3.65 mm.
  • the through hole 454 designed as a bore has a diameter of 1.3 mm.
  • the deflection element 450 can also be realized with other dimensions.
  • An end-face light-input side 460 has a slight convex curvature 465 with a radius of curvature of 30 mm. This curvature 465 thus constitutes a lightly focusing optical interface for a primary light beam entering at the light input side 460.
  • the convexly shaped input interface like the entire base body 452, has a rotationally symmetrical shape with respect to the optical axis 417.
  • the light output side 470 opposite the light input side 460 has a concave contour which is determined by the two cone-shaped facets 471 and 472. As can be seen in FIG. 4b, the second cone-shaped facet 472 has a radial thickness of 0.51 mm with respect to the optical axis 417.
  • the optical interface of the second cone-shaped facet 472 is inclined at an angle of 105 ° with respect to the optical axis 417.
  • the first cone-shaped facet 472 is inclined at an angle of 120.06 ° with respect to the optical axis 417.
  • FIG. 4 c shows a simulation of the refractive generation of two cone-shaped light structures by means of the optical deflection element 450.
  • a primary light beam 411 strikes the base body 452 of the deflection element 450 parallel to the optical axis 417.
  • the through hole 454 shown in FIGS. 4 a and 4 b becomes in the simulation by a circular shading element
  • the shading element 454a is arranged concentrically with the optical axis 417.
  • the concave curvature 465 of the light input side 460 is simulated by a converging lens 465 a, which is likewise arranged concentrically to the optical axis 417 immediately behind the main body 452.
  • the two cone-shaped facets 471 and 472 cause a cylindrically symmetrical splitting of the primary light beam 411 into a secondary light beam 422 which has a first cone-shaped light structure 422a and a second cone-shaped light structure 422b.
  • FIG. 5 shows a simulation of the refractive generation of three cone-shaped light structures 522a, 522b and 522c, which are generated by an optical deflection element 550 with three cone-shaped facets.
  • an optical deflection element 550 with three cone-shaped facets.
  • FIG. 5 encounters a primary light beam 511 parallel to an optical axis 517 on a base body 552.
  • a through hole is simulated by a circular shading element 554 a, which is arranged concentrically to the optical axis 517.
  • a concave curvature of the light input side of the optical deflection element 550 is simulated by a converging lens 565 a, which is likewise arranged concentrically to the optical axis 517 and immediately behind the main body 552.
  • the three cone-shaped facets cause a cylindrically symmetrical splitting of the primary light beam 511 into a secondary light beam 522, which has the first cone-shaped light structure 522a, the second cone-shaped light structure 522b, and the third cone-shaped light structure 522c.
  • FIG. 6 shows an optical deflection element 650 according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the deflection element 650 has, just like the previously described deflection elements, a base body 652 with a core bore 654, which are formed rotationally symmetrical to an optical axis 617.
  • the light input side 660 has a planar interface.
  • the light output side 670 has two annular portions formed symmetrically with respect to the optical axis 617, a first annular portion 671 and a second annular portion 672. It should be noted that the annular portions 671 and 672 each have a slight curvature, which is greatly exaggerated in Figure 6.
  • the corresponding surface contours can still be referred to as substantially cone-shaped facets.
  • the curvature of the substantially cone-shaped facet 671 may be different than the curvature of the substantially cone-shaped facet 672.
  • the light rays emerging from the various slightly curved cone-shaped facets can be individually focused.
  • FIG. 7 shows an optical deflection element 750 according to a particularly preferred embodiment of the invention.
  • the deflection element 750 likewise has a main body 752 with a core bore 754, which are formed rotationally symmetrical to an optical axis 717.
  • the light input side 760 has a structured surface contour which comprises two annular sections formed symmetrically with respect to the optical axis 717, a first annular section 761 and a second annular section 762.
  • the annular gates 771 and 772 on the light exit side have no further curvatures on the two cone-shaped facets.
  • the radii of the individual annular sections 761, 762, 771, 772 are matched to one another in such a way that, in the case of illumination incident parallel to the optical axis 717, the first annular section 761 is the first annular section
  • Section 771 and the second annular portion 762 associated with the second annular portion 772 can be individually focused.
  • the two exemplary embodiments illustrated in FIG. 6 and FIG. 7 can also be combined with one another such that the annular sections each have an individual curvature both at the light input and the light output side.

Abstract

Die vorliegende Anmeldung beschreibt ein optisches Ablenkungselement (450) zur refraktiven Erzeugung eines konzentrisch zu einer optischen Achse (417) des Ablenkungselements (450) aufgefächerten, räumlich strukturierten Lichtstrahlenbündels (422). Das optische Ablenkungselement (450) weist einen Grundkörper (452) auf, welcher zumindest teilweise aus einem optisch transparenten Material gefertigt ist und welcher eine Lichteingangsseite (460) und eine Lichtausgangsseite (470) aufweist. Die Lichteingangsseite (460) ist derart ausgebildet, dass ein primäres Lichtstrahlenbündel (411) in den Grundkörper (452) einkoppelbar ist. Die Lichtausgangsseite (470) weist bezogen auf die optische Achse (417) des Ablenkungselementes (450) eine zylindersymmetrische Kontur auf, welche in dem Grundkörper (452) eine Aussparung definiert. Die Auffächerung des primären Lichtstrahlenbündels (411) erfolgt durch Refraktion an gegenüber der optischen Achse (417) unterschiedlich geneigten rotationssymmetrischen Grenzflächen (471, 472). Diese Anmeldung beschreibt ferner eine optische Messvorrichtung (100) zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums, welche Messvorrichtung (100) das genannte optische Ablenkungselement (150, 450) aufweist. Außerdem beschreibt diese Anmeldung ein Verfahren zum Erzeugen eines konzentrisch aufgefächerten, räumlich strukturierten Lichtstrahlenbündels (422) unter Verwendung des genannten optischen Ablenkungselements (150).

Description

Beschreibung
Refraktive Erzeugung eines konzentrisch aufgefächerten strukturierten Lichtstrahlenbündels, optische Messvorrichtung mit refraktivem Ablenkungselement.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Ablenkungselement, mit dem ein primäres homogenes Lichtstrahlenbündel kegelmantelförmig aufgefächert werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine optische Messvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums, welche optische Messvorrichtung das genannte optische Ablenkungselement aufweist. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines kon- zentrisch aufgefächerten, räumlich strukturierten Lichtstrahlenbündels unter Verwendung des genannten optischen Ablenkungselements .
Die Oberflächenstruktur von zumindest annähernd tubusförmigen Innenflächen eines Hohlraums kann mittels optischer Triangulation dreidimensional erfasst werden. Dabei wird auf die Innenfläche des jeweiligen zu erfassenden Hohlraums ein räumlich strukturiertes Beleuchtungsmuster projiziert und die Szene mittels eines Kamerasystems digital erfasst. Durch
Vermessung der aus der Oberflächenform resultierenden Verzeichnung des an die Innenwand projizierten Beleuchtungsmusters, welche mit bekannten Methoden der Bildverarbeitung in automatischer Weise durchgeführt werden kann, kann ein digi- tales Modell, das die Form des Hohlraums abbildet, berechnet werden. Dabei werden Abweichungen bzw. Verzerrungen der erfassten projizierten Linien von den bekannten, eingangs symmetrischen und zu einer optischen Achse konzentrischen Kreisformen erfasst.
Eine derartige Hohlraumvermessung mittels optischer Triangulation kann auf vorteilhafte Weise bei der Vermessung bzw. bei der Profilierung des menschlichen Gehörganges angewendet werden. Infolge der Anatomie des Gehörgangs muss demzufolge eine optische Messvorrichtung bereitgestellt werden, welche einen maximalen Durchmesser von 4 mm nicht überschreiten darf. Diese Randbedingung gilt für die gesamte objektseitige Optik einer derartigen optischen Messvorrichtung, welche Optik zur Hohlraumvermessung in den Gehöhrkanal eingeführt werden muss. Die objektseitige Optik umfasst dabei zumindest ein Kamerasystem und ein optisches Element zur Erzeugung der strukturierten Beleuchtung. Das Kamerasystem und das optische Element sind dabei konzentrisch zu einer gemeinsamen optischen Achse der optischen Messvorrichtung angeordnet.
Es ist bekannt zur Erzeugung von strukturierten Beleuchtungen diffraktive optische Elemente zu verwenden. Insbesondere (binäre) Phasengitter, die auch als sog. Dammann-Gitter bekannt sind, können infolge einer besonders vorteilhaften Substruktur die einfallende Intensität eines primären Lichtstrahlenbündels selektiv und ggf. weitgehend gleichmäßig auf bestimmte Beugungsordnungen verteilen.
Um ein strukturiertes Beleuchtungsmuster aus konzentrischen Ringen zu erzeugen, ist aus der Veröffentlichung " Changhe Zhou, Jia Jia, Liren Liu; Circular Dammann Gräting; Optics Let ters , Vol . 28 , No . 22 , 2003 , Sei ten 21 74 -21 76" ein so genanntes zirkuläres Damman-Gitter bekannt. Dieses hat jedoch den Nachteil, dass es schwierig ist, bezogen auf die optische Achse des zirkulären Phasengitters größere Ablenkungswinkel zu erreichen. Größere Ablenkungswinkel wären zwar prinzipiell durch die Verwendung von extrem kleinen Phasengitterstruktu- ren im Bereich von 150 nm möglich. Derartig kleine Phasengit- terstrukturen sind jedoch technologisch extrem schwierig herzustellen. Zur Herstellung derartig feiner Gitter werden nämlich Ätzprozesse benötigt, die eine deutlich feinere Strukturierung erfordern als die derzeit üblicherweise verwendeten Ätzprozesse mit einer besten Auflösung von 400 nm. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Ablenkungselement zu schaffen, welches eine breite Auffächerung eines primären Lichtstrahlenbündels ermöglicht und welches außerdem auf vergleichsweise einfache Weise herge- stellt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Mit dem unabhängigen Patentanspruch 1 wird ein optisches Ablenkungselement zur refraktiven Erzeugung eines konzentrisch zu einer optischen Achse des Ablenkungselements aufge- fächerten, räumlich strukturierten Lichtstrahlenbündels beschrieben. Das optische Ablenkungselement weist einen Grundkörper auf, welcher zumindest teilweise aus einem optisch transparenten Material gefertigt ist und welcher eine Lichteingangsseite und eine Lichtausgangsseite aufweist. Die Lichteingangsseite ist derart ausgebildet, dass ein primäres Lichtstrahlenbündel in den Grundkörper einkoppelbar ist. Die Lichtausgangsseite weist bezogen auf die optische Achse des Ablenkungselements eine zylindersymmetrische Kontur auf, welche in dem Grundkörper eine Aussparung definiert.
Dem beschriebenen optischen Ablenkungselement liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine konkave, d.h. nach innen gewölbte zylindersymmetrisch geformte Kontur an der Lichtausgangsseite mittels Refraktion an der entsprechenden optischen Grenzfläche auf einfache Weise eine vergleichsweise breite
Strahlauffächerung realisiert werden kann. Dabei bestimmt der Winkel, den der jeweilige Radialbereich der Kontur mit der optischen Achse einschließt entsprechend des Brechungsgesetzes von Snellius die Stärke der räumlichen Auffächerung.
Das beschriebene optische Ablenkungselement kann im Vergleich zu bekannten diffraktiven optischen Elementen mit einem deutlich geringeren Fertigungsaufwand produziert werden. Neben herkömmlichen mechanischen Herstellungsverfahren eignen sich auch Pressverfahren, die insbesondere für eine preiswerte Massenfertigung als geeignet anzusehen sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 2 weist die Kontur einen ersten ringförmigen Abschnitt auf, welcher im wesentlichen die Form von zumindest einem Teil einer ersten Mantelfläche eines in das Innere des Grundkör- pers gerichteten Kegels aufweist. Dabei schließen die Mantellinien der ersten Mantelfläche mit der optischen Achse einen ersten Winkel ein.
Sofern die Kontur im wesentlichen die Form eines vollständi- gen Kegelmantels aufweist, ist automatisch die oben genannte Bedingung einer zylindersymmetrischen Kontur erfüllt. Sofern die Kontur die Form eines nicht vollständigen Kegelmantels aufweist, ist die oben genannte Bedingung einer zylindersymmetrischen Kontur dann erfüllt, wenn die Kontur die Form der Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist.
Unter dem Begriff Mantellinien sind dabei diejenigen Linien zu verstehen, die auf dem Mantel des Kegels, welcher einen Rotationskörper darstellt, längs zu seiner Rotationsachse verlaufen. Dabei fällt die Rotationsachse mit der optischen Achse des Ablenkungselements bzw. des Grundkörpers zusammen. Die Mantellinien sind also die Verbindungsstrecken zwischen der reellen oder der virtuellen Spitze des Kegels bzw. des Kegelstumpfes und den Randpunkten des entsprechenden Grund- kreises.
Der beschriebene erste Winkel zwischen den Mantellinien und der optischen Achse ist dabei genau halb so groß wie der Öffnungswinkel des in das Innere des Grundkörpers gerichteten Kegels. Durch die Wahl des Öffnungswinkels des Kegels kann auf einfache Weise die Winkelablenkung und damit der Grad der Auffächerung des aus der Lichtaustrittsfläche austretenden Lichtkegels bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 3 weist die Kontur einen zweiten ringförmigen Abschnitt auf, welcher in radialer Richtung außerhalb des ersten ringförmigen Abschnitts angeordnet ist und welcher im wesentlichen die Form einer zweiten Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist. Dabei schließen die Mantellinien der zweiten Mantelfläche mit der optischen Achse einen zweiten
Winkel ein, welcher unterschiedlich zu dem ersten Winkel ist.
Die beschriebenen ringförmigen Abschnitte stellen somit verschiedene konzentrisch zueinander angeordnete im wesentli- chen konusförmige Facetten dar. Dabei fächert jede Facette das primäre Lichtstrahlenbündel abhängig von dem Öffnungswinkel des Konus und dem Brechungsindex des Grundkörper- Materials mit einem bestimmten Öffnungswinkel in zylindersymmetrischer Weise auf. Das aus der Lichtaustrittsfläche aus- tretende Lichtstrahlenbündel weist somit zwei kegelmantelför- mige Lichtstrukturen auf, die einen unterschiedlichen Öffnungswinkel haben. Im Falle eines zylindrischen Hohlraums, der parallel und konzentrisch zu der optischen Achse orientiert ist, können somit kreisringförmige Projektionslinien an der Innenwand des zylindrischen Hohlraums erzeugt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 4 weist die Kontur zumindest einen dritten ringförmigen Abschnitt auf, welcher in radialer Richtung außerhalb des zweiten ringförmigen Abschnitts angeordnet ist und welcher im wesentlichen die Form einer dritten Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist. Dabei schließen die Mantellinien der dritten Mantelfläche mit der optischen Achse einen dritten Winkel ein, welcher unterschiedlich zu dem zweiten Winkel ist. Bevorzugt ist der dritte Winkel auch unterschiedlich zu dem ersten Winkel, so dass sämtliche kegelmantelförmige Lichtstrukturen, die aus der Lichtaustrittsfläche austreten, einen unterschiedlichen Öffnungswinkel aufweisen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die zylindersymmetrische Kontur auch in mehr als drei ringförmige Abschnitte unterteilt werden kann. Damit kann das an der Lichteingangsseite eingekoppelte primäre Lichtstrahlenbündel im Prinzip beliebig fein räumlich strukturiert werden, so dass eine Vielzahl von kegelmantelförmigen Lichtstrukturen auf einfache Weise erzeugt werden können.
Durch die Verwendung einer Mehrzahl von kegelmantelförmigen Lichtstrukturen kann im Falle der Vermessung des menschlichen Gehörgangs die Struktur des gesamten Beleuchtungsmusters besonders gut an die erwartete Form eines zu vermessenden Gehörganges angepasst werden. Dabei ist die Projektion einer Mehrzahl von konzentrischen Ringen unter verschiedenen Win- kein zur optischen Achse auf die Innenwand des Gehörgangs als besonders geeignet anzusehen. Um in einer optischen Messvorrichtung einen ausreichend großen Triangulationswinkel zu erreichen, der, wie bei vielen Anwendungen gefordert, eine Ortsauflösung von 50 μm in allen Raumrichtungen sicherstellt, sind bezogen auf die optische Achse Beleuchtungswinkel im
Bereich zwischen 10° und 30° erforderlich. Derartige Beleuchtungswinkel können mit dem beschriebenen optischen Ablenkungselement ohne Problem erreicht werden. Der Triangulationswinkel ist wie üblich durch den Winkelabstand zwischen dem Strahlengang des Beleuchtungslichts und dem Strahlengang des von der Kamera erfassten Messlichts definiert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 5 ist die Winkeldifferenz zwischen dem ersten Winkel und einem rechten Winkel größer als die Winkeldifferenz zwischen dem zweiten Winkel und einem rechten Winkel. Dies bedeutet, dass in Bezug auf eine zu der optischen Achse senkrecht orientierte Querschnittsebene die äußeren konusför- migen Facetten eine flachere Neigung aufweisen als die inneren konusförmigen Facetten.
Die beschriebene Ausbildung der unterschiedlichen konusförmi- gen Facetten mit abgestuften Neigungswinkeln hat den Vorteil, dass das optische Ablenkungselement auf besonders einfache Weise hergestellt werden kann. Das Ausbilden der zylindersymmetrischen Aussparung kann dabei durch eine zweistufige Bearbeitung erfolgen, bei welcher (a) dem ersten ringförmigen Abschnitt eine erste kegelförmige Aussparung mit kleinem Öffnungswinkel und (b) dem zweiten ringförmigen Abschnitt eine zweite kegelförmige Aussparung mit großem Öffnungswinkel zugeordnet ist. Die Reihenfolge der Bearbeitungsschritte (a) und (b) spielt dabei keine Rolle.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine schrittweise Zunahme der beschriebenen Winkeldifferenzen für die einzelnen ringförmigen Abschnitte von außen nach innen, d. h. hin zur optischen Achse, auch mit mehr als drei ringförmigen Abschnitten in entsprechender Weise realisiert werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 6 ist die Winkeldifferenz zwischen dem ersten Winkel und einem rechten Winkel kleiner als die Winkeldifferenz zwischen dem zweiten Winkel und einem rechten Winkel. Dies bedeutet, dass in Bezug auf eine Querschnittsebene zu der optischen Achse die äußeren konusförmigen Facetten eine steilere Neigung aufweisen als die inneren konusförmigen Facetten.
Die mit diesem Ausführungsbeispiel beschriebenen abgestuften Neigungswinkel haben den Vorteil, dass diejenigen Lichtstrahlen, die an den Mantelflächen des äußeren ringförmigen Ab- Schnitts aus der Lichtausgangsseite aus dem Grundkörper austreten, stärker von der optischen Achse weg gebrochen werden als diejenigen Lichtstrahlen, die an den Mantelflächen von weiter innen liegenden ringförmigen Abschnitten aus der Lichtausgangsseite aus dem Grundkörper austreten. Damit kreuzen sich die Strahlengänge der einzelnen aus der Lichtausgangsseite austretenden Lichtstrukturen nicht, so dass der Verlauf der einzelnen Strahlengänge besonders übersichtlich ist .
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 7 weist der erste ringförmige Abschnitt die Form von zumindest einem Teil einer ersten Mantelfläche eines in das Innere des Grundkörpers gerichteten Kegels auf, weist der zweite ringförmige Abschnitt die Form einer zweiten Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist und/oder weist der dritte ringförmige Abschnitt die Form einer dritten Mantelfläche eines Kegelstumpfes auf. Die beschriebene möglichst exakt kegelförmige bzw. kegelstumpfförmige Aussparung hat den Vorteil, dass die Aussparung auf effektive und zugleich besonders einfache Weise in dem Grundkörper ausgebildet werden kann. Abhängig von der Größe der Aussparung und/oder von der mechanischen Bearbeitbarkeit des optisch transparenten Materials können unterschiedliche Methoden wie beispielsweise ein mechanisches Drehen, ein Pressen oder ein Heißprägen zur Herstellung des optischen Ablenkungselements eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 8 weist der erste ringförmige Abschnitt, der zweite ringförmige Abschnitt und/oder der dritte ringförmige Abschnitt eine gekrümmte Oberfläche auf. Dabei können die jeweiligen Oberflächen unabhängig voneinander eine konkave oder eine konvexe Oberfläche aufweisen.
Die beschriebe Krümmung in den einzelnen ringförmigen Abschnitten hat den Vorteil, dass die Lichtstrahlen, die aus den verschiedenen leicht gekrümmten konusförmigen Facetten austreten, individuell fokussiert werden können. Dabei führt eine konvexe optische Grenzfläche einer Facette zu einer leichten Fokussierung der entsprechenden Lichtstruktur. Sofern auch ohne konkave Grenzfläche eine Fokussierung der Lichtstruktur auf eine kreisringförmige Linie gegeben ist, führt eine leicht konkave optische Grenzfläche einer Facette zu einer Fokusverschiebung der entsprechenden Lichtstruktur nach hinten, d.h. an einen Ort, der weiter von der Lichtausgangsseite des optischen Ablenkungselements beabstandet ist als die genannte kreisringförmige Linie.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach
Anspruch 9 weist der Grundkörper die äußere Form eines Zylinders, insbesondere eines Kreiszylinders, auf. Das beschriebene optische Ablenkungselement kann somit beispielsweise aus einer sog. Stablinse gefertigt werden.
Der Grundkörper des optischen Ablenkungselements besteht vorzugsweise zumindest teilweise aus einem Material, welches einen hohen Brechungsindex aufweist. Dies gilt insbesondere für eine Wellenlänge von ungefähr 405 nm. Dies hat den Vor- teil, dass kohärentes Licht von üblichen Halbleiter- Laserdioden besonders stark aufgefächert werden kann. Außerdem hat Licht mit dieser im optischen Spektrum vergleichsweise kurzen Wellenlänge eine deutlich geringere Eindringtiefe in die menschliche Haut als langwelligeres Licht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 10 weist die Lichteingangsseite eine konvexe Krümmung auf. In diesem Zusammenhang bedeutet konvexe Krümmung dass die Lichteingangsseite ebenfalls eine Kontur aufweist, die in Bezug auf den Grundkörper nach außen gewölbt ist. Dies bedeutet im Falle einer gewöhnlichen kugeloberflächenartigen Kontur, dass der Krümmungsmittelpunkt der entsprechenden Kugeloberfläche in Bezug auf die Lichteingangsseite auf der Seite des Grundkörpers liegt.
Die konvexe Krümmung hat den Vorteil, dass infolge der Brechung des an der Lichteingangsseite in den Grundkörper ein- tretenden primären Lichtstrahlenbündels das primäre Lichtstrahlenbündel abhängig von der Stärke der Krümmung fokus- siert wird. Dabei kann die Krümmung der Lichteingangsseite an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Im Falle der Pro- jektion der Lichtstrukturen auf die Innenwand eines zumindest annähernd zylindrischen Hohlraums kann die Fokussierung so eingestellt werden, dass die Lichtstrukturen scharfe und möglichst feine Beleuchtungslinien an der Innenwand des zu vermessenden Hohlraums darstellen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 11 weist die Lichteingangsseite einen gekrümmten ersten ringförmigen Abschnitt und zumindest einen gekrümmten zweiten ringförmigen Abschnitt auf. Dabei können die jeweili- gen Oberflächen unabhängig voneinander eine konkave oder eine konvexe Oberfläche aufweisen.
Ebenso wie die oben beschriebene individuelle Krümmung der ringförmigen Abschnitte an der Lichtausgangsseite hat die individuelle Krümmung der einzelnen ringförmigen Abschnitte an der Lichteingangsseite den Vorteil, dass die Lichtstrahlen, die aus den verschiedenen konusförmigen Facetten austreten, individuell fokussiert werden können. Dabei führt eine konvexe optische Grenzfläche einer Facette zu einer leichten Fokussierung der entsprechenden Lichtstruktur. Sofern auch ohne konvexe Grenzfläche eine Fokussierung der Lichtstruktur auf eine kreisringförmige Linie gegeben ist, führt eine leicht konkave optische Grenzfläche einer Facette zu einer Fokusverschiebung der entsprechenden Lichtstruktur nach hinten, d.h. an einen Ort, der weiter von der Lichtausgangsseite des optischen Ablenkungselements beabstandet ist als die genannte kreisringförmige Linie.
Die individuelle Krümmung der einzelnen ringförmigen Ab- schnitte an der Lichteingangsseite kann im Vergleich zu der individuellen Krümmung der ringförmigen Abschnitte an der Lichtausgangsseite durch herkömmliche Bearbeitungsmethoden wie beispielsweise ein mechanisches Drehen, ein Pressen oder ein Heißprägen wesentlich einfacher hergestellt werden. Dies liegt daran, dass die Lichteingangsseite im Vergleich zu der Lichtausgangsseite eine wesentlich einfachere Topologie bzw. Oberflächenstruktur aufweist, so dass die entsprechenden Krümmungen leichter ausgebildet werden können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 12 weist der Grundkörper eine Durchgangsöffnung auf, die sich koaxial zu der optischen Achse erstreckt.
Dies schafft die Möglichkeit, dass eine Beobachtungsoptik bzw. eine Kamera durch das optische Ablenkungselement hindurch geführt werden kann. Dies ist insbesondere dann vor- teilhaft, wenn das optische Ablenkungselement für ein kompakt aufgebautes optisches Messinstrument verwendet wird, mit dem durch die räumliche Vermessung von Beleuchtungslinien, die an die Innenwand eines Hohlraums projiziert werden, die Größe und/oder die Form des Hohlraums vermessen wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 13 ist die Durchgangsöffnung eine Kernbohrung, welche die Form eines zu der optischen Achse konzentrisch angeordneten Zylinders aufweist.
Die beschriebene Kernbohrung hat den Vorteil, dass das optische Ablenkungselement auf besonders einfache und damit auf Kosten sparende Weise hergestellt werden kann.
Mit dem Patentanspruch 14 wird eine optische Messvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums, insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen des Gehörgangs eines menschlichen oder tierischen Lebewesens beschrieben. Die optische Messvorrichtung weist auf (a) eine Lichtquelle, eingerichtet zum Aussenden von Beleuchtungslicht entlang eines Beleuchtungsstrahlengangs, (b) ein optisches Ablenkungselement der oben beschriebenen Art, welches das ausgesendete Beleuchtungslicht räumlich derart strukturiert, dass an der Innenwand zumindest eine um die optische Achse des Ablenkungselements umlaufende Beleuchtungslinie erzeugt wird, deren Form von der Größe und der Form des Hohlraums abhängt, und (c) eine Kamera, welche über einen Abbildungsstrahlengang die zumindest eine Beleuchtungslinie unter einem Triangulationswinkel erfasst.
Der genannten optischen Messvorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine zylindersymmetrisch strukturierte Beleuchtung, die auf die Innenwand des zu vermessenden Hohlraums projiziert wird, auf einfache Weise unter Verwendung eines modifizierten Triangulationsverfahrens eine dreidimensionale (3D) Vermessung des Hohlraums realisiert werden kann. Dabei wird die Form der zumindest einen Beleuchtungslinie von der Kamera erfasst, die bevorzugt symmetrisch zu der optischen Achse ein zweidimensionales (2D) Bild von den dem Projektionsring oder von den Projektionsringen aufnimmt. Anhand der Abweichungen bzw. Verzerrungen der erfassten Beleuchtungslinie von symmetrischen, zu der optischen Achse konzentrischen Kreisformen kann die Innenwand des Hohlraums in 3D vermessen werden.
Die beschriebene optische Messvorrichtung hat gegenüber dreidimensionalen Abstandssensoren, bei denen jeweils nur ein Messpunkt beleuchtet und die Höhenposition des beleuchteten Messpunkts erfasst wird, den Vorteil, dass quasi gleichzeitig (automatisch) eine Vielzahl von Messpunkten vermessen werden, die um die optische Achse herum angeordnet sind. Auf diese Weise ergibt sich insgesamt eine erheblich erhöhte Abtastgeschwindigkeit .
Bevorzugt werden mehrere Beleuchtungsstrukturen erzeugt, wobei jede der erzeugten Beleuchtungsstrukturen jeweils die Form eines Kegelmantels aufweist. Auf diese Weise kann die Anzahl der gleichzeitig mittels eines einzigen Kamerabildes erfassbaren Messpunkte weiter erhöht werden. Bei einem zylinderförmigen Hohlraum, der sich symmetrisch um die optische Achse der optischen Messvorrichtung herum erstreckt, ergeben sich Beleuchtungsringe, die konzentrisch zu der optischen Achse ausgebildet bzw. angeordnet sind. Bei einem zylinderförmigen Hohlraum, der sich um eine Zylinderachse herum erstreckt, die relativ zu der optischen Achse der optischen Messvorrichtung einen Parallelversatz aufweist, ergeben sich verzogene Beleuchtungslinien, die in Bezug auf die optische Achse eine elliptische Form aufweisen. Dabei sind benachbarte Beleuchtungslinien in einem ersten Wandbereich der Innenwand, der weiter von der optischen Achse entfernt ist als ein zweiter Wandbereich, weiter voneinander beabstandet. Dies liegt daran, dass aufgrund der kegelförmi- gen Auffächerung der einzelnen Beleuchtungsstrukturen benachbarte Beleuchtungslinien mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse weiter voneinander beabstandet sind. Somit wird deutlich, dass sowohl die Abweichung der 3D Form der von der Kamera erfassten Beleuchtungslinien von einer idealen Kreisform als auch die Beabstandung benachbarten Beleuchtungslinien Informationen über die 3D Kontur des Hohlraums liefern .
An dieser Stelle wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass bereits eine Beleuchtungsstruktur bzw. eine ggf. verformte
Beleuchtungslinie eine 3D Information bezüglich der Größe und der Form des zu vermessenden Hohlraums beinhaltet. Trotzdem ist es insbesondere aus Gründen der Messgeschwindigkeit und der räumlichen Auflösung vorteilhaft, das von der Lichtquelle ausgesendete Beleuchtungslicht in eine Mehrzahl von kegelförmig aufgeweiteten Beleuchtungsstrukturen zu strukturieren.
Die Erfassung der Beleuchtungslinien unter einem Triangulationswinkel bedeutet, dass der Strahlengang des Abbildungs- lichts mit dem Strahlengang des Beleuchtungslichts, d.h. mit dem jeweiligen Öffnungswinkel der kegelförmigen Beleuchtungsstruktur, einen von 0° verschiedenen Winkel einschließt. Dieser Winkel wird als Triangulationswinkel bezeichnet. Je größer dieser Triangulationswinkel ist, desto höher ist die Genauigkeit der 3D Positionsbestimmung.
Die beschriebene optische Messvorrichtung hat den Vorteil, dass zur 3D Vermessung innerhalb der Messvorrichtung keine bewegten Teile und insbesondere keine bewegten optischen Komponenten erforderlich sind. Dies bedeutet, dass die optische Messvorrichtung vergleichsweise kostengünstig herge- stellt werden kann und dass ferner die Zuverlässigkeit der Messvorrichtung auch unter realen Einsatzbedingungen sehr hoch ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass zur Vermessung von größeren Hohlräumen die gesamte Messvorrichtung bevorzugt entlang der optischen Achse verschoben werden kann. Die bei einer derartigen Bewegung aufgenommenen Teilbilder können mittels geeigneter Bildverarbeitungsmethoden wieder zusammengesetzt werden. Ein derartiges Zusammensetzten wird häufig auch als "stitching" bezeichnet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 15 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich eine Auswerteeinheit auf, welche der Kamera nachgeschaltet ist und welche derart eingerichtet ist, dass durch eine Bildverarbeitung der von der Kamera erfassten zumindest einen Beleuchtungslinie die Größe und die Form zumindest eines Teils des Hohlraums automatisch bestimmbar ist.
Die beschriebene Auswerteeinheit ermöglicht somit auf vorteilhafte Weise eine automatische Bildauswertung der von der Kamera erfassten 2D Bilder, so dass als Ausgabegröße der optischen Messvorrichtung direkt 3D Daten des vermessenen Hohlraums zur weiteren Datenverarbeitung bereit gestellt werden können. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 16 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich eine Projektionsoptik auf, welche in dem Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass ggf. in Kombination mit einer geeigneten Krümmung der im wesentlichen konusförmigen Facetten der Lichtausgangsseite eine Fokussie- rung des Beleuchtungslichts erreicht werden kann, so dass die Beleuchtungslinien möglichst scharf an der Innenwand des zu vermessenden Hohlraums abgebildet werden und demzufolge als scharfe Strukturen von der Kamera erfasst werden können.
Die optimale Wahl der Brennweite dieser Optik hängt somit von der Auffächerung des auf die Optik auftreffenden Beleuchtungsstrahls, von der optischen Weglänge des Beleuchtungs- lichts zwischen der Optik und des optischen Ablenkungselements und von der optischen Weglänge zwischen dem optischen Ablenkungselement und der Innenwand ab. Somit sollte die Brennweite dieser Optik nicht nur von dem Design der beschriebenen optischen Messvorrichtung, sondern auch von der ungefähr zu erwartenden Größe des zu vermessenden Hohlraums abhängen .
Es wird darauf hingewiesen, dass auch die oben im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel des optischen Ablenkungs- elements beschriebene konvexe Krümmung der Lichteingangsseite des Grundkörpers qualitativ die gleiche Wirkung hat wie die hier beschriebene Projektionsoptik. Dasselbe gilt auch für die Krümmungen der im wesentlichen konusförmigen Facetten an der Lichtausgangsseite.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 17 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich einen in der optischen Achse des Ablenkungselements in einem schrägen Winkel angeordneten Strahlteiler auf. Dieser Strahl- teuer lenkt den Beleuchtungsstrahlengang derart um, dass entweder (a) ein objektseitiger Abschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs parallel zu der optischen Achse verläuft oder (b) ein bildseitiger Abschnitt des Abbildungsstrahlengangs winklig zu der optischen Achse verläuft.
In diesem Zusammenhang bedeutet schräger Winkel, dass der Strahlteiler in einem Winkel ungleich von 0° und ungleich von 90° in Bezug auf die optische Achse angeordnet ist. Bevorzugt ist der Strahlteiler in einem Winkel von 45° zur optischen Achse geneigt, so dass der Beleuchtungsstrahlengang oder der Abbildungsstrahlengang einen Knick von 90° aufweist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 18 ist zumindest ein Abschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs, in dem das Beleuchtungslicht parallel zu der optischen Achse geführt ist, um den mittig in der optischen Achse verlaufenden Abbildungsstrahlengang herum ausgeformt.
Dabei kann der Beleuchtungsstrahlengang in einem Querschnitt zur optischen Achse ringsymmetrisch, d.h. konzentrisch um die optische Achse bzw. den Abbildungsstrahlengang herum angeord- net sein. Dies bedeutet, dass ein zu der optischen Achse konzentrischer Beleuchtungsstrahl auf das optische Ablenkungselement trifft, welches ebenfalls symmetrisch zu der optischen Achse ausgebildet ist. Als optisches Ablenkungselement eignet sich beispielsweise das oben beschriebene refrak- tive optische Ablenkungselement, welches eine Kernbohrung aufweist .
Es wird darauf hingewiesen, dass der Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang teilweise auch koaxial verlau- fen können. Für die auf dem Prinzip der Triangulation beruhende 3D Vermessung ist es nämlich ausreichend, wenn objekt- seitig, d.h. in der Nähe der zu vermessenden Beleuchtungslinien, der Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang räumlich getrennt werden, so dass ein Triangulations- winkel gegeben ist. Eine objektseitige Aufspaltung von Beleuchtungsstrahlengang und Abbildungsstrahlengang kann beispielsweise durch geeignete Strahlteiler oder durch einen Lichtwellenleiter erfolgen, dessen objektseitiges Ende in zwei räumlich getrennte Teilenden aufgespalten ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 19 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich eine Licht leitende Einrichtung auf, welche in dem Abbildungsstrahlengang angeordnet ist und welche zum Übertragen eines zweidimensionales Bildes der Beleuchtungslinien hin zu der Kamera eingerichtet ist.
Als Licht leitende Einrichtung kann eine mechanisch relativ starre Stablinsenanordnung verwendet werden, wie sie beispielsweise bei Endoskopen eingesetzt wird. Als Licht leitende Einrichtung kann auch ein endoskopisches System auf der Basis einer Gradientenoptik verwendet werden, bei welcher sich der Brechungsindex in Abhängigkeit vom Radius ändert. Damit kann innerhalb der Licht leitenden Einrichtung eine Krümmung der Lichtstrahlen erzielt werden, so dass im Ergebnis die Kamera Abbildungsstrahlen aus einem weiten Winkelbe- reich erfassen kann.
Für die Licht leitende Einrichtung kann ferner eine so genannte Hopkins Optik verwendet werden, welches ebenfalls eine mechanisch weitgehend starre optische Anordnung ist. Eine Hopkins Optik kann beispielsweise eine Art Glasröhre sein, in der Linsen aus Luft eingefügt sind, so dass eine besonders detaillierte Einsicht bei endoskopischen Untersuchungen ermöglicht wird. Dieser Vorteil der besonders detaillierten Einsicht führt auch bei der beschriebenen optischen Messvor- richtung zu einer besonders hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit der 3D Vermessung.
Als Licht leitende Einrichtung eignet sich auch ein so genannter Bildlichtleiter, welcher eine Vielzahl von einzelnen Lichtwellenleitern bzw. Glasfasern umfasst. Ein Bildlichtleiter hat den Vorteil, dass er flexibel ist, so dass die optische Messvorrichtung in einer zumindest teilweise flexiblen Bauweise realisiert werden kann. Dies ermöglicht auch bei gekrümmten Hohlräumen, in die eine starre Messvorrichtung nicht eingebracht werden kann, eine genaue Hohlraumvermessung.
Mit dem Patentanspruch 20 wird ein Verfahren zum Erzeugen eines konzentrisch aufgefächerten, räumlich strukturierten Lichtstrahlenbündels beschrieben. Das Verfahren weist folgenden Schritt auf: Aussenden eines primären Lichtstrahlenbün- dels auf ein oben beschriebenes optisches Ablenkungselement, so dass das primäre Lichtstrahlenbündel an der Lichteingangsseite in den Grundkörper des optischen Ablenkungselements eintritt und als sekundäres Lichtstrahlenbündel an der Lichtausgangsseite aus dem Grundkörper austritt. Dabei weist das sekundäre Lichtstrahlenbündel zumindest eine kegelmantelför- mige Lichtstruktur auf.
Dem genannten Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung des oben beschriebenen refraktiven optischen Ablenkungselements im Vergleich zur Verwendung von bekannten diffraktiven optischen Ablenkungselementen auf besonders einfache Weise eine breite Auffächerung des sekundären Lichtstrahlenbündels realisiert werden kann. Eine breite Auffächerung bedeutet, dass die entsprechenden Kegel- mäntel einen großen Öffnungswinkel aufweisen.
Sofern die Lichtausgangsseite des Grundkörpers mehrere ringförmige Abschnitte mit unterschiedlich geneigten im wesentlichen konusförmigen Facetten aufweist, können die entsprechen- den Kegelspitzen der aufgefächerten Lichtkegel in einem reellen Quellpunkt zusammen fallen, welcher Quellpunkt auf der optischen Achse liegt. In diesem Zusammenhang bedeutet reeller Quellpunkt, dass die Beleuchtungsstrukturen zumindest annähernd von einem auf der optischen Achse befindlichen Quellpunkt ausgehen. Sofern der Grundkörper, wie oben in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben, eine Durchgangsöffnung bzw. eine Kernbohrung aufweist, tritt das sekundäre Lichtstrahlenbündel aus zumindest einem kreisringförmigen Abschnitt aus, der konzentrisch um die optische Achse angeordnet ist. Auch in diesem Fall kann die entsprechende Kegelspitze als reeller Quellpunkt des kegelmantelförmig aufgefächerten sekundären Lichtstrahlenbündels verstanden werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
Figur Ia zeigt eine Querschnittsansicht einer optischen
Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur Ib zeigt ein Kamerabild mit vier Bildern von an die
Innenwand eines zu vermessenden Hohlraums projizier¬ ten Beleuchtungslinien.
Figur Ic zeigt eine Frontansicht des objektseitigen Endes der in Figur Ia dargestellten optischen Messvorrichtung.
Figur 2 zeigt die am objektseitigen Ende der in Figur Ia dargestellten optischen Messvorrichtung ausgebildeten Strahlengänge des Beleuchtungslichts und des Abbil¬ dungslichts, welche Strahlengänge den Triangulations¬ winkel bestimmen.
Figur 3 zeigt eine Simulation der refraktiven Erzeugung einer einzelnen kegelmantelförmigen Lichtstruktur. Figur 4a zeigt eine perspektivische Darstellung eines optischen Ablenkungselements, welches zwei konusförmige Facetten aufweist.
Figur 4b zeigt eine Konstruktionszeichnung für das in Figur 4a dargestellte optische Ablenkungselement.
Figur 4c zeigt eine Simulation der refraktiven Erzeugung zweier kegelmantelförmiger Lichtstrukturen mittels des in Figur 4a dargestellten optischen Ablenkungselementes .
Figur 5 zeigt eine Simulation der refraktiven Erzeugung dreier kegelmantelförmiger Lichtstrukturen, die durch ein optisches Ablenkungselement mit drei konusförmige
Facetten erzeugt werden.
Figur 6 zeigt ein optisches Ablenkungselement, bei dem die ringförmigen Abschnitte an der Lichtausgangsseite je- weils eine konvexe Krümmung aufweisen.
Figur 7 zeigt ein optisches Ablenkungselement, bei dem die Lichteingansseite zwei gekrümmte ringförmige Abschnitte mit jeweils einer konvexe Krümmung aufweist.
An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass sich in der Zeichnung die Bezugszeichen von gleichen oder von einander entsprechenden Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden .
Figur Ia zeigt eine Querschnittsansicht einer optischen Messvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die optische Messvorrichtung 100 weist in Bezug auf eine optische Achse 117 eine zylindersymmetrische Form auf . Die optische Messvorrichtung 100 weist eine Lichtquelle 110 auf, welche gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Laserdiode 110 ist. Selbstverständlich können auch andere Lichtquellen wie beispielsweise eine Leuchtdiode verwendet werden. Die Laserdiode 110 emittiert monochromatisches Beleuchtungslicht 111, welches auf eine Projektionsoptik 112 trifft, die den Beleuchtungsstrahl 111 aufweitet. Der aufgeweitete Beleuchtungsstrahl 111 trifft auf einen in einem Winkel von 45° in Bezug auf die optische Achse 117 orientier- ten Strahlteiler 113, so dass abhängig von dem Reflexionsvermögen des Strahlteilers 113 zumindest ein Teil des Beleuchtungslichts 111 in einen Hohlzylinder 115 eingekoppelt wird, welcher symmetrisch zu der optischen Achse 117 angeordnet ist. Um ein Einkoppeln des Beleuchtungslichts 111 in den zentralen Teil des Hohlzylinder 115 zu verhindern, ist zwischen dem Strahlteiler 113 und der Laserdiode 110 ein optisches Abschattungselement 114 angeordnet.
Das von dem Strahlteiler 113 umgelenkte Beleuchtungslicht wird von dem Hohlzylinder 115 in einem Beleuchtungsstrahlengang 116 geführt. Der Beleuchtungsstrahlengang 116 ist zylindersymmetrisch zur der optischen Achse 117 ausgebildet. An einem objektseitigen Ende der optischen Messvorrichtung 100 trifft das Beleuchtungslicht auf ein optisches Ablenkungsele- ment 150, welches ebenfalls eine zylindersymmetrische Form aufweist und zylindersymmetrisch um die optische Achse 117 herum angeordnet ist. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das optische Ablenkungselement 150 ein optisch refraktives Element, welches nachfolgend anhand der Figuren 3, 4a und 4b näher erläutert wird.
Das optische Ablenkungselement 150 strukturiert das Beleuchtungslicht räumlich derart, dass konzentrisch zu der optischen Achse 117 mehrere Beleuchtungsstrukturen 122 entstehen, die jeweils die Form eines Kegelmantels 122 aufweisen und die auf die Innenwand eines zu vermessenden Hohlraums 125 proji- ziert werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in Figur Ia nur eine Beleuchtungsstruktur 122 dargestellt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Kamera 145 und die Laserdiode 110 können unter Verwendung eines entsprechenden Strahlteilers 113 auch vertauscht angeordnet werden. Als Strahlteiler kann beispielsweise eine transmissionsselektive Glasplatte verwendet werden, die in der Mitte innerhalb eines kleinen ellipsenförmigen Bereichs so verspiegelt ist, dass nicht der Laserstrahl sondern das Bild im Zentrum des Beleuchtungsstrahlengangs 116 ausgekoppelt wird.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zu vermessende Hohlraum ein Gehörgang 125 eines Patienten. Der Gehörgang 125 weist typischerweise einen Durchmesser d von ungefähr 4 mm auf.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Messvorrichtung 100 auch zur Vermessung anderer Hohlräume verwendet werden kann. So kann beispielsweise die dreidimensionale Form von Bohrlöchern genau vermessen werden, bevor exakt passende Nieten für eine besonders zuverlässige Nietverbindung, beispielsweise im Flugzeugbau, ausgewählt werden können.
Die Projektion der Beleuchtungsstruktur 122 auf die Innenwand des Hohlraums 125 ergibt eine geschlossene Beleuchtungslinie 128, deren Form von der Größe und der Form des Hohlraums 125 abhängt. Dabei hängt die Schärfe der Beleuchtungslinien 128 von der Fokussierung der Beleuchtungsstrukturen 122 auf die Innenwand ab. Aus diesem Grund kann die Brennweite der Projektionsoptik 112 so angepasst werden, das bei einer ungefähr zu erwartenden Größe des zu vermessenden Hohlraums an der Innenwand des Hohlraums scharfe Beleuchtungslinien 128 erzeugt werden.
Die Größe und die Form der einzelnen Beleuchtungslinien 128 werden von einer Kamera 145 erfasst. Dies erfolgt über ein von den Beleuchtungslinien 128 ausgehendes Abbildungslicht 130. Dieses Abbildungslicht 130 wird mittels einer Abbildungsoptik 132 eingesammelt, die eine besonders kurze Brennweite aufweist. Die Abbildungsoptik 132 kann aufgrund des extrem weiten Aufnahmewinkels auch als Fischauge bezeichnet werden .
Das von der Abbildungsoptik 132 eingesammelte Abbildungslicht 130 wird mittels einer Licht leitenden Einrichtung 135 zu dem bildseitigen Ende der optischen Messvorrichtung 100 geführt. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Licht leitende Einrichtung eine Stablinsenanordnung 135, die beispielsweise auch in der Medizintechnik in endoskopischen Geräten verwendet wird. Die zweite Abbildungsoptik kann einstückig mit der Stablinsenanordnung 135 ausgebildet sein, indem die entsprechende stirnseitige und dem Hohlraum zugewandte Grenzfläche einer entsprechenden Stablinse eine extrem starke Krümmung aufweist.
Die Stablinsenanordnung 135 weist eine Mehrzahl von einzelnen Stablinsen 135a auf, die zusammen eine Länge 1 von ungefähr 50 mm ergeben. Selbstverständlich kann die Stablinsenanordnung 135 auch eine beliebig andere Länge aufweisen. Die Stablinsenanordnung 135 kann auch eine so genannte Hopkins Linsenanordnung sein.
Die Stablinsenanordnung 135 definiert somit einen Abbildungsstrahlengang 136, welcher sich entlang der optischen Achse 117 hin zum bildseitigen Ende der optischen Messvorrichtung 100 erstreckt. Der Abbildungsstrahlengang 136 und der Beleuchtungsstrahlengang 116 sind jeweils zylindersymmetrisch zu der optischen Achse 117 angeordnet, wobei sich der Beleuchtungsstrahlengang 116 außerhalb des Abbildungsstrahlengangs 136 befindet.
Selbstverständlich ist auch eine Bauform der optischen Messvorrichtung denkbar, bei welcher Bauform der Abbildungsstrah- lengang außerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs verläuft. In jedem Fall muss spätestens am objektseitigen Ende der Messvorrichtung 100 eine räumlich Trennung von Beleuchtungslicht 122 und Abbildungslicht 130 erfolgen, damit die projizierten Beleuchtungslinien 128 unter einem Triangulationswinkel erfasst werden können und somit die 3D Kontur des Hohlraums 125 bestimmt werden kann. Ein Triangulationswinkel ist immer dann gegeben, wenn die Beleuchtung, d.h. hier die Erzeugung der Beleuchtungslinien 128 unter einem anderen Winkel erfolgt als die Beobachtung, d.h. hier die Abbildung der Beleuchtungslinien 128 hin zu der Kamera 145.
Das in der Stablinsenanordnung 135 geführte Abbildungslicht 130 trifft auf den Strahlteiler 113. Der Strahlteiler wird von zumindest einem Teil des Abbildungslichts 130 lediglich mit einem gewissen Parallelversatz durchdrungen. Dieser Parallelversatz hängt dabei von der Dicke, von dem Brechungsindex sowie von der Winkelstellung des Strahlteilers 113 relativ zu der optischen Achse 117 ab. Der restliche Teil des Abbildungslichtes 130 wird an dem Strahlteiler reflektiert und trifft als Verlustlicht auf das optische Abschattungsele- ment 114 bzw. auf die Laserdiode 110.
Der Teil des Abbildungslichts 130, welcher den Strahlteiler passiert, trifft auf eine Abbildungsoptik 142 und wird von dieser auf die Kamera 145 abgebildet. Die Kamera 145 nimmt demzufolge ein Kamerabild 148 auf, welches abhängig von der Form des Hohlraums 125 Bilder 149 der Beleuchtungslinien 128 zeigt, die insbesondere im Randbereich des Kamerabildes 148 verzerrt sind. Figur Ib zeigt als Beispiel ein derartiges
Kamerabild 148, in dem insgesamt vier Bilder 149 von entsprechenden an die Innenwand des Hohlraums 125 projizierten Beleuchtungslinien 128 zu erkennen sind. Anhand einer quantitativen Analyse dieser Verzerrung, die in einer der Kamera 145 nachgeschalteten Auswerteeinheit 146 erfolgt, kann die Form sowie die Größe des Hohlraums 125 bestimmt werden. Figur Ic zeigt eine Frontansicht des objektseitigen Endes der optischen Messvorrichtung 100. Zu erkennen ist die Abbildungsoptik 132, die von dem optischen Ablenkungselement 150 umgeben ist.
Figur 2 zeigt in einer Querschnittsdarstellung die am objektseitigen Ende der optischen Messvorrichtung 100, die nun mit dem Bezugszeichen 200 versehen ist, ausgebildeten Strahlengänge des Beleuchtungslichts 222 und des Abbildungslichts 230. Für eine bestimmte Beleuchtungslinie 228, die in Figur Id dargestellt ist, ergibt sich in Bezug auf die optischen Achse 217 ein mittlerer Projektions- bzw. Beleuchtungswinkel ß.
Das optische Ablenkungselement 250 weist einen mittleren
Radialabstand r von der optischen Achse 217 auf. In entsprechender Weise ergibt sich für die dargestellte Beleuchtungslinie 228 in Bezug auf die optische Achse 217 ein Abbildungswinkel α. Dabei wird berücksichtigt, dass das Abbildungs- licht 230 von der mittig auf der optischen Achse 217 angeordneten Abbildungsoptik 232 eingesammelt wird.
Der Triangulationswinkel θ ergibt sich aus der Differenz der beiden Winkel α und ß (θ = α - ß) . Selbstverständlich hängt, wie aus Figur Id ersichtlich, dieser Triangulationswinkel θ auch von dem Längsabstand Δl ab. Dieser Längsabstand Δl ergibt sich aus dem Abstand parallel zur optischen Achse 217 zwischen dem Ablenkungselement 250 und der Abbildungsoptik 232.
Figur 3 zeigt eine Simulation der refraktiven Erzeugung einer einzelnen kegelmantelförmigen Beleuchtungsstruktur 322. Dabei tritt ein primäres Lichtstrahlenbündel 311 durch eine Lichteingangsseite 360 in den Grundkörper 352 des optischen Ablen- kungselements 350. Die der Lichteingangsseite 360 gegenüber liegende Lichtausgangsseite 370 weist eine konusförmige Facette 371 auf, so dass in dem Grundkörper eine kegelförmige Aussparung ausgebildet ist. An der entsprechend in Bezug auf eine optische Achse 317 des Ablenkungselements 350 geneigten optischen Grenzfläche wird das in den Grundkörper eingedrungene Lichtstrahlenbündel zu der kegelmantelförmigen Beleuch- tungsstruktur 322 aufgeweitet. An einer nicht dargestellten zylindrischen Innenfläche eines zu vermessenden Hohlraums entsteht somit eine Beleuchtungslinie 328.
Die Figuren 4a und 4b zeigen ein optisches Ablenkungselement 450, welches zwei konusförmige Facetten, eine in einem ersten ringförmigen Abschnitt ausgebildete erste konusförmige Facette 471 und eine in einem zweiten ringförmigen Abschnitt ausgebildete zweite konusförmige Facette 472, aufweist. Figur 4a zeigt das optische Ablenkungselement 450 in einer perspek- tivischen Darstellung, Figur 4b zeigt eine Konstruktionszeichnung des optischen Ablenkungselementes 450.
Das optische Ablenkungselement 450 weist einen im wesentlichen zylindrischen Grundkörper 452 auf, in dem eine Durch- gangsöffnung 454 ausgebildet ist. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Grundkörper 452 einen Durchmesser von 3 mm und eine Länge von 3,65 mm auf. Die als Bohrung ausgebildete Durchgangsöffnung 454 weist einen Durchmesser von 1,3 mm auf. Selbstverständlich kann das Ablen- kungselement 450 auch mit anderen Abmessungen realisiert werden .
Eine stirnseitige Lichteingangsseite 460 weist eine leichte konvexe Krümmung 465 mit einem Krümmungsradius von 30 mm auf. Diese Krümmung 465 stellt somit eine leicht fokussierende optische Grenzfläche für einen an der Lichteingangsseite 460 eintretendes primäres Lichtstrahlenbündel dar. Die konvex geformte Eingangs-Grenzfläche weist ebenso wie der gesamte Grundkörper 452 in Bezug auf die optische Achse 417 eine rotationssymmetrische Form auf. Die der Lichteingangsseite 460 gegenüberliegende Lichtausgangsseite 470 weist eine konkave Kontur auf, die durch die beiden konusförmigen Facetten 471 und 472 bestimmt ist. Wie aus Figur 4b ersichtlich, weist die zweite konusförmige Facette 472 in Bezug auf die optische Achse 417 eine radiale Dicke von 0,51 mm auf. Ferner ist die optische Grenzfläche der zweiten konusförmigen Facette 472 in Bezug auf die optische Achse 417 um einen Winkel von 105° geneigt. Die erste konusförmige Facette 472 ist in Bezug auf die optische Achse 417 um einen Winkel von 120,06° geneigt. Auch hier sind selbstverständlich andere Dimensionen und/oder Winkel möglich.
Figur 4c zeigt eine Simulation der refraktiven Erzeugung zweier kegelmantelförmiger Lichtstrukturen mittels des optischen Ablenkungselementes 450. Ein primäres Lichtstrahlenbündel 411 trifft parallel zu der optischen Achse 417 auf den Grundkörper 452 des Ablenkungselementes 450. Die in den Figuren 4a und 4b dargestellte Durchgangsbohrung 454 wird in der Simulation durch ein kreisförmiges Abschattungselement
454a berücksichtigt. Das Abschattungselement 454a ist konzentrisch zu der optischen Achse 417 angeordnet.
Die konkave Krümmung 465 der Lichteingangsseite 460 wird durch eine Sammellinse 465a simuliert, welche ebenfalls konzentrisch zu der optischen Achse 417 unmittelbar hinter dem Grundkörper 452 angeordnet ist. Die beiden konusförmigen Facetten 471 und 472 bewirken eine zylindersymmetrische Aufspaltung des primären Lichtstrahlenbündels 411 in ein sekundäres Lichtstrahlenbündel 422, welcher eine erste kegelmantelförmige Lichtstruktur 422a und eine zweite kegelmantel- förmige Lichtstruktur 422b aufweist.
Figur 5 zeigt eine Simulation der refraktiven Erzeugung dreier kegelmantelförmiger Lichtstrukturen 522a, 522b und 522c, die durch ein optisches Ablenkelement 550 mit drei konusförmigen Facetten erzeugt werden. In der dargestellten Simulation trifft ein primäres Lichtstrahlenbündel 511 parallel zu einer optischen Achse 517 auf einen Grundkörper 552. Eine Durchgangsbohrung wird durch ein kreisförmiges Abschat- tungselement 554a simuliert, welches konzentrisch zu der optischen Achse 517 angeordnet ist.
Eine konkave Krümmung der Lichteingangsseite des optischen Ablenkungselementes 550 wird durch eine Sammellinse 565a simuliert, welche ebenfalls konzentrisch zu der optischen Achse 517 und unmittelbar hinter dem Grundkörper 552 angeordnet ist. Die drei konusförmigen Facetten bewirken eine zylindersymmetrische Aufspaltung des primären Lichtstrahlenbündels 511 in ein sekundäres Lichtstrahlenbündel 522, welcher die erste kegelmantelförmige Lichtstruktur 522a, die zweite kegelmantelförmige Lichtstruktur 522b und die dritte kegelmantelförmige Lichtstruktur 522c aufweist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die in den Figuren 3, 4c und 5 dargestellten Simulationen aus Gründen der besseren Dar- stellbarkeit der produzierten aufgeweiteten Lichtkegel nur zur Hälfte dargestellt sind. Im Rahmen der entsprechenden Simulationen wurde diese Halbierung der Darstellung durch die Verwendung einer in dem jeweiligen Strahlengang befindlichen geeigneten Rechteckblende erreicht.
Figur 6 zeigt ein optisches Ablenkungselement 650 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Ablenkungselement 650 weist ebenso wie die zuvor beschriebenen Ablenkungselemente einen Grundkörper 652 mit einer Kernbohrung 654 auf, die rotationssymmetrisch zu einer optischen Achse 617 ausgeformt sind. Die Lichteingansseite 660 weist eine plane Grenzfläche auf. Die Lichtausgangsseite 670 weist zwei symmetrisch zur optischen Achse 617 ausgeformte ringförmige Abschnitte, einen ersten ringförmigen Abschnitt 671 und einen zweiten ringförmigen Abschnitt 672, auf. Es wird darauf hingewiesen, dass die ringförmigen Abschnitte 671 und 672 jeweils eine schwache Krümmung aufweisen, welche in Figur 6 stark übertrieben dargestellt ist. Infolge des großen Krümmungsradius können die entsprechenden Oberfläche- konturen nach wie vor als im wesentlichen konusförmige Facetten bezeichnet werden. Die Krümmung der im wesentlichen konusförmigen Facette 671 kann unterschiedlich zu der Krümmung der im wesentlichen konusförmigen Facette 672 sein. Damit können die Lichtstrahlen, die aus den verschiedenen leicht gekrümmten konusförmigen Facetten austreten, individuell fokussiert werden.
Figur 7 zeigt ein optisches Ablenkungselement 750 gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Ablenkungselement 750 weist ebenso einen Grundkörper 752 mit einer Kernbohrung 754 auf, die rotationssymmetrisch zu einer optischen Achse 717 ausgeformt sind. Im Gegensatz zu dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Lichteingansseite 760 eine strukturierte Oberflächenkontur auf, die zwei symmetrisch zur optischen Achse 717 ausgeformte ringförmige Abschnitte, einen ersten ringförmigen Abschnitt 761 und einen zweiten ringförmigen Abschnitt 762, umfasst. Die ringförmigen Anschnitte 771 und 772 an der Lichtausgangsseite weisen keine weiteren Krümmungen an den beiden konusförmigen Facetten auf.
Die Radien der einzelnen ringförmigen Abschnitte 761, 762, 771, 772 sind derart aufeinander abgestimmt, dass bei einer parallel zur optischen Achse 717 einfallenden Beleuchtung der erste ringförmige Abschnitt 761 dem ersten ringförmigen
Abschnitt 771 und der zweite ringförmige Abschnitt 762 dem zweiten ringförmigen Abschnitt 772 zugeordnet ist. Damit können auch durch eine entsprechende Krümmung der ringförmigen Abschnitte 761 und 762 die Lichtstrahlen, die aus den verschiedenen konusförmigen Facetten 771 und 772 austreten, individuell fokussiert werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die beiden in Figur 6 und Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiele auch dahingehend miteinander kombiniert werden können, dass sowohl an der Lichteingangs- als auch an der Lichtausgangsseite die ring- förmigen Abschnitte jeweils eine individuelle Krümmung aufweisen .
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensicht- lieh offenbart anzusehen sind.

Claims

Patentansprüche
1. Optisches Ablenkungselement zur refraktiven Erzeugung eines konzentrisch zu einer optischen Achse (417) des Ablen- kungselements (450) aufgefächerten, räumlich strukturierten Lichtstrahlenbündels (422), das optische Ablenkungselement (450) aufweisend einen Grundkörper (452), welcher
• zumindest teilweise aus einem optisch transparenten Materi- al gefertigt ist und welcher
• eine Lichteingangsseite (460) und eine Lichtausgangsseite
(470) aufweist,
- wobei die Lichteingangsseite (460) derart ausgebildet ist, dass ein primäres Lichtstrahlenbündel (411) in den Grundkör- per (452) einkoppelbar ist, und
- wobei die Lichtausgangsseite (470) bezogen auf die optische Achse (417) des Ablenkungselementes (450) eine zylindersymmetrische Kontur aufweist, welche in dem Grundkörper (452) eine Aussparung definiert.
2. Optisches Ablenkungselement nach Anspruch 1, bei dem
• die Kontur einen ersten ringförmigen Abschnitt (471) aufweist, welcher im wesentlichen die Form von zumindest einem Teil einer ersten Mantelfläche eines in das Innere des Grundkörpers gerichteten Kegels aufweist, wobei Mantellinien der ersten Mantelfläche mit der optischen Achse (417) einen ersten Winkel einschließen.
3. Optisches Ablenkungselement nach Anspruch 2, bei dem • die Kontur einen zweiten ringförmigen Abschnitt (472) aufweist, welcher in radialer Richtung außerhalb des ersten ringförmigen Abschnitts (471) angeordnet ist und welcher im wesentlichen die Form einer zweiten Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist, wobei Mantellinien der zweiten Mantelfläche mit der optischen Achse (417) einen zweiten Winkel einschließen, welcher unterschiedlich zu dem ersten Winkel ist.
4. Optisches Ablenkungselement nach Anspruch 3, bei dem
• die Kontur zumindest einen dritten ringförmigen Abschnitt aufweist, welcher in radialer Richtung außerhalb des zwei- ten ringförmigen Abschnitts angeordnet ist und welcher im wesentlichen die Form einer dritten Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist, wobei Mantellinien der dritten Mantelfläche mit der optischen Achse einen dritten Winkel einschließen, welcher unterschied- lieh zu dem zweiten Winkel ist.
5. Optisches Ablenkungselement nach einem der Ansprüche 3 bis 4, bei dem die Winkeldifferenz zwischen dem ersten Winkel und einem rechten Winkel größer ist als die Winkeldifferenz zwischen dem zweiten Winkel und einem rechten Winkel.
6. Optisches Ablenkungselement nach einem der Ansprüche 3 bis 4, bei dem die Winkeldifferenz zwischen dem ersten Winkel und einem rechten Winkel kleiner ist als die Winkeldifferenz zwischen dem zweiten Winkel und einem rechten Winkel.
7. Optisches Ablenkungselement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem
- der erste ringförmige Abschnitt (471) die Form von zumindest einem Teil einer ersten Mantelfläche eines in das Innere des Grundkörpers gerichteten Kegels aufweist,
- der zweite ringförmige Abschnitt (472) die Form einer zweiten Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist und/oder
- der dritte ringförmige Abschnitt die Form einer dritten Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist.
8. Optisches Ablenkungselement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem der erste ringförmige Abschnitt (671), der zweite ringförmige Abschnitt (672) und/oder der dritte ringförmige Abschnitt eine gekrümmte Oberfläche aufweist.
9. Optisches Ablenkungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Grundkörper (452) die äußere Form eines Zylinders, insbesondere eines Kreiszylinders aufweist.
10. Optisches Ablenkungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Lichteingangsseite (460) eine konvexe Krümmung (465) aufweist .
11. Optisches Ablenkungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Lichteingangsseite (760) einen gekrümmten ersten ringförmigen Abschnitt (761) und zumindest einen gekrümmten zweiten ringförmigen Abschnitt (762) aufweist.
12. Optisches Ablenkungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Grundkörper (452) eine Durchgangsöffnung (454) aufweist, die sich koaxial zu der optischen Achse (417) erstreckt.
13. Optisches Ablenkungselement nach Anspruch 12, bei dem die Durchgangsöffnung eine Kernbohrung (454) ist, welche die Form eines zu der optischen Achse (417) konzentrisch angeordneten Zylinders aufweist.
14. Optische Messvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums (125), insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen des Gehörgangs (125) eines menschlichen oder tierischen Lebewesens, die optische Messvorrichtung (100) aufweisend • eine Lichtquelle (110), eingerichtet zum Aussenden von Beleuchtungslicht (111) entlang eines Beleuchtungsstrahlengangs (116) ,
• ein optisches Ablenkungselement (150, 450) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, welches das ausgesendete Beleuchtungslicht (111) räumlich derart strukturiert, dass an der Innenwand zumindest eine um die optische Achse (117, 417) des Ablenkungselements (150, 450) umlaufende Beleuchtungslinie (128) erzeugt wird, deren Form von der Größe und der Form des Hohlraums (125) abhängt, und
• eine Kamera (145), welche über einen Abbildungsstrahlengang
(136) die zumindest eine Beleuchtungslinie (128) unter einem Triangulationswinkel (θ) erfasst.
15. Optische Messvorrichtung nach Anspruch 14, zusätzlich aufweisend
• eine Auswerteeinheit (146), welche der Kamera (145) nachgeschaltet ist und welche derart eingerichtet ist, dass durch eine Bildverarbeitung der von der Kamera (145) er- fassten zumindest einen Beleuchtungslinie (149) die Größe und die Form zumindest eines Teils des Hohlraums (125) automatisch bestimmbar ist.
16. Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 15, zusätzlich aufweisend
• eine Projektionsoptik (112), welche in dem Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist.
17. Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, zusätzlich aufweisend
• einen in der optischen Achse (117) des Ablenkungselements
(120) in einem schrägen Winkel angeordneten Strahlteiler
(113),
- welcher den Beleuchtungsstrahlengang (116) derart um- lenkt, dass ein objektseitiger Abschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs (116) parallel zu der optischen Achse (117) verläuft oder - welcher den Abbildungsstrahlengang derart umlenkt, dass ein bildseitiger Abschnitt des Abbildungsstrahlengangs winklig zu der optischen Achse verläuft.
18. Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis
17, bei der zumindest ein Abschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs (116), in dem das Beleuchtungslicht (111) parallel zu der optischen Achse (117) geführt ist, um den mittig in der optischen Achse (117) verlaufenden Abbildungsstrahlengang (136) herum ausgeformt ist.
19. Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis
18, zusätzlich aufweisend • eine Licht leitende Einrichtung (135), welche in dem Abbildungsstrahlengang (136) angeordnet ist und welche zum Übertragen eines zweidimensionales Bildes (148) der Beleuchtungslinien (128) hin zu der Kamera (145) einrichtet ist.
20. Verfahren zum Erzeugen eines konzentrisch aufgefächerten, räumlich strukturierten Lichtstrahlenbündels (422), das Verfahren aufweisend • Aussenden eines primären Lichtstrahlenbündels (411) auf ein optisches Ablenkungselement (450) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, so dass das primäre Lichtstrahlenbündel (411) an der Lichteingangsseite (460) in den Grundkörper (452) des optischen Ablenkungselements (450) eintritt und als sekundäres Lichtstrahlenbündel (422) an der Lichtausgangsseite (470) aus dem Grundkörper (452) austritt, wobei das sekundäre Lichtstrahlenbündel (422) zumindest eine ke- gelmantelförmige Lichtstruktur (422a, 422b) aufweist.
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