EP2482707A1

EP2482707A1 - Endoskop

Info

Publication number: EP2482707A1
Application number: EP10760334A
Authority: EP
Inventors: Anton Schick; Michael Stockmann; Martin Kunz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-08-08
Also published as: JP2013506861A; JP5815531B2; WO2011039235A1; DE102009043523A1; US20120190923A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Endoskop zur Messung der Topographie einer Oberfläche (4) mit einer Projektionseinheit (6) und einer Abbildungseinheit (8), wobei die Projektionseinheit und die Abbildungseinheit bezüglich einer Endoskopachse (10) hintereinander angeordnet sind.

Description

Beschreibung Endoskop Die Erfindung betrifft ein Endoskop zur Messung der

Topographie einer Oberfläche nach dem Oberbegriff des

Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Vermessung der Topographie einer Oberfläche nach Anspruch 20. Klassische und gut erforschte Techniken zur Messung von dreidimensionalen Geometrien basieren häufig auf der

Grundlage der aktiven Triangulation. Jedoch wird es in beengter Umgebung wie z. B. im menschlichen Ohrkanal oder in Bohrlöchern immer schwieriger, die Triangulation als solche zu realisieren. Insbesondere im Bereich der messenden

Endoskopie ist es nicht einfach, die räumliche Anordnung von Sende- und Empfangseinheit bzw. von Projektions- und

Abbildungseinheit unter den entsprechenden Winkeln zu

positionieren. Darüber hinaus ist es in der Regel nicht möglich, längere oder größere Hohlräume in einem Bild

aufzunehmen. D.h., es ist erforderlich, räumlich überlappende Bereiche dreidimensional zeitlich hintereinander zu

vermessen, um sie anschließend über Datenverarbeitung zu einem 3D-Gebilde zusammenzufassen ( 3D-Datasticking) . Je größer hierbei die Überlappungsbereiche sind, desto präziser kann die Verknüpfung von Einzelaufnahmen im 3D-Raum erfolgen. Dies setzt ebenso voraus, dass die Einzelaufnahmen an sich bereits möglichst viele Messpunkte mit festem Bezug

zueinander aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Endoskop zur Messung von Oberflächentopographien bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik einen kleineren Bauraum beansprucht und in der Lage ist, beispielsweise bei der

Verwendung der aktiven Triangulation größere Messbereiche bereits in einer Messsequenz zu erfassen. Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Endoskop mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 20. Das erfindungsgemäße Endoskop zur Messung der Topographie einer Oberfläche umfasst eine Projektionseinheit und eine Abbildungseinheit. Das Endoskop zeichnet sich dadurch aus, dass die Projektionseinheit und die Abbildungseinheit

bezüglich einer Endoskopachse hintereinander angeordnet sind.

Diese Anordnung von Projektionseinheit und Abbildungseinheit (auch Empfängereinheit) , die axial hintereinander auf einer Achse (Endoskopachse) angeordnet sind, erlaubt es, bei geeignetem Design des Projektionsobjektivs bzw. des

Empfangsobjektivs eine ideale Überlappung von Projektionsraum und Abbildungsraum bei einem beengten Hohlraum zur Verfügung zu stellen. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung von

Projektionseinheit und Abbildungseinheit wird der zur

Verfügung stehende Bauraum in einem Endoskop deutlich besser ausgenutzt, was es erlaubt, das Endoskop deutlich kleiner auszugestalten .

Bei der axialen Anordnung der Projektionseinheit und der Abbildungseinheit kann die Abbildungseinheit grundsätzlich in dieselbe Blickrichtung bezüglich der Endoskopachse

ausgerichtet sein wie die Projektionseinheit. Bei geeigneter Abbildungsoptik kann die Abbildungseinheit auch entgegen der Blickrichtung der Projektionseinheit angeordnet sein. Eine derartige Face to Face-Anordnung von Projektionseinheit und Abbildungseinheit unterscheidet sich lediglich in der Ausge^¬ staltung der Abbildungsoptik, verschafft der Anordnung jedoch grundsätzlich dieselben Vorteile zur Messung von SD-Oberflächen in beengtem Raum. Unter dem Begriff Blickrichtung wird die Richtung entlang der Endoskopachse verstanden, in die das Endoskop geführt wird.

Eine derartige Anordnung eignet sich insbesondere zur

Anwendung einer aktiven Triangulation. Durch die platzsparende Anordnung der Projektionseinheit und der

Abbildungseinheit werden vorteilhafte Möglichkeiten für die Gestaltung der Messeinheit geschaffen, auf die im Weiteren noch weiter eingegangen wird. Ferner steht für die so genannte Colour-Coded-Triangulation eine deutlich höhere Anzahl an farbcodierten Mustern zur Verfügung, die eine genauere Vermessung der Topographie der Oberfläche

ermöglichen . In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung verlaufen Projektionsstrahlen der Projektionseinheit radial seitlich an der Abbildungseinheit vorbei und treten seitlich aus einer Endoskopwand aus. Das Endoskopaußenmaterial ist demnach optisch transparent ausgestaltet, wobei als Material in der Regel Glas bzw. transparenter Kunststoff, wie

Plexiglas, verwendet wird. Das radiale seitliche Austreten der Projektionsstrahlen stellt eine Ausgestaltungsform dar, die es erlaubt, dass die Projektionsstrahlen, ohne von der Abbildungseinheit behindert zu werden, aus dem Endoskop austreten können und auf die Oberfläche auftreffen können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der

Erfindung erfolgt die Lichtversorgung der Projektionseinheit über einen Lichtwellenleiter oder Lichtwellenleiterbündel. Das Licht kann in den Lichtwellenleiter beispielsweise durch eine LED eingespeist werden. Die Verwendung eines

Lichtwellenleiters ist ebenfalls bauraumsparend, ferner wird im Bereich der Endoskopmessung auch keine Wärme durch ein Beleuchtungsmittel ausgestrahlt, was bei medizinischen

Anwendungen nachteilig sein könnte.

Zur Messung der Topographie mittels der Triangulation ist es zweckmäßig, wenn zwischen der Lichtversorgung und einer Projektionsoptik der Projektionseinheit eine

Projektionsstruktur mit einer Farbcodierung vorgesehen ist. Diese Projektionsstruktur kann als radialsymmetrische

Struktur ausgestaltet sein, insbesondere wenn die

Beleuchtungseinheit in Form eines Lichtwellenleiters mit rundem Querschnitt ausgestaltet ist. Die Projektionsstruktur ist in zweckmäßiger Weise in Form eines Dias ausgestaltet.

Das Dia umfasst dabei zumindest in einem äußeren Bereich mehrere konzentrische Farbringe. Diese Farbringe dienen als Farbcodierung, umso mehr Farbringe auf dem Dia bzw. auf der Projektionsstruktur angebracht werden können, umso größer wird der Messbereich von Einzelmessungen, was dazu führt, dass auf ein so genanntes Featuretracking verzichtet werden kann.

Die Projektionsstruktur, im besonderen Fall das Dia, ist in bevorzugter Ausgestaltungsform direkt vor dem

Lichtwellenleiter angeordnet, wobei die Projektionsstrahlen senkrecht durch die Projektionsstruktur verlaufen.

Bei einer bezüglich des Dias telezentrischen Projektoreinheit werden vom Dia emittierte Strahlenbündel durch die

Projektionsoptik geführt. Die jeweiligen Hauptstrahlen der Bündel verlaufen senkrecht zum Dia und schneiden sich in der Pupille der Projektionsoptik. Von dort aus divergieren die Hauptstrahlen (die Teile der Projektionsstrahlen sind) und treten aus der Endoskopwand aus und treffen im Weiteren auf die zu vermessende Oberfläche. Eine derartige telezentrische Projektionseinheit spart ebenfalls Bauraum, da auf eine so genannte Kollimationsoptik verzichtet werden kann.

Die Abbildungseinheit des Endoskops umfasst ein

Abbildungsmedium, das bevorzugt in Form eines Sensorchips einer Digitalkamera ausgestaltet ist.

Die Abbildungseinheit weist ferner eine Abbildungsoptik auf, die ein Gesichtsfeld erfassen kann, welche bzgl. der Größe an den Projektionsbereich angepasst ist. Der Schnittbereich von Gesichtsfeld und Projektionsbereich definiert hierbei den Messbereich . In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Abbildungsoptik einen gewölbten Spiegel und einen

planaren Spiegel auf, wobei der gewölbte Spiegel in Richtung des planaren Spiegels konvex gewölbt ist. Der gewölbte

Spiegel dient u.a. zur Umlenkung der Abbildungsstrahlen

(Abbildungsstrahlen sind an der Oberfläche reflektierte

Projektionsstrahlen) auf den planaren Spiegel. Der planare Spiegel wiederum lenkt die Abbildungsstrahlen ein weiteres Mal um, so dass diese durch eine zentrale Öffnung im

gewölbten Spiegel verlaufen. Das Abbildungsmedium ist hierbei bezüglich der Blickrichtung des Endoskops hinter dem

gewölbten Spiegel angeordnet. Die Abbildungsstrahlen werden durch die zentrale Öffnung im gewölbten Spiegel direkt oder indirekt auf das Abbildungsmedium umgeleitet. Durch diese Maßnahme kann das Gesichtsfeld der Abbildungseinheit sehr groß gestaltet werden. Es ist ein Gesichtfeldwinkel von mehr als 180° möglich. In dieser beschriebenen Ausgestaltungsform ist das Abbildungsmedium bezüglich einer Blickrichtung der Endoskopachse hinter der Abbildungsoptik angeordnet. Die Abbildungseinheit weist somit eine Blickrichtung auf, die mit der Blickrichtung des Endoskops übereinstimmt.

Es ist jedoch auch möglich, die Blickrichtung der

Abbildungseinheit umzudrehen, so dass sie entgegengesetzt der Blickrichtung des Endoskops angeordnet ist. In diesem Fall befindet sich das Abbildungsmedium bezüglich der

Blickrichtung des Endoskops hinter der Abbildungsoptik der Abbildungseinheit . In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist es zweckmäßig, dass der planare Spiegel ebenfalls eine,

bevorzugt zentrale Öffnung aufweist, die zum Durchlass von Lichtstrahlen dient. Es handelt sich hierbei um

Lichtstrahlen, die entgegengesetzt der Blickrichtung des Endoskops verlaufen. Hierdurch wird es ermöglicht, dass

Gegenstände bzw. Oberflächen in Blickrichtung des Endoskops aufgenommen werden und durch die Öffnung des planaren

Spiegels sowie durch die Öffnung des gewölbten Spiegels hindurchlaufen und in einem zentrumsnahen Bereich des

Abbildungsmediums auftreffen und dort detektierbar sind. Zur Verbesserung der Abbildungsqualität und Anpassung der

Vergrößerung kann eine zusätzliche Linsenanordnung im Bereich der Öffnung dienen. Das Endoskop kann durch diese Maßnahme sowohl als Kameraendoskop als auch als Messendoskop verwendet werden .

Weiterhin ist ein Verfahren gemäß Anspruch 2 Bestandteil der Erfindung. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Messung der Topographie einer Oberfläche mittels eines Endoskops nach einem der Ansprüche 1 bis 19.

Es zeichnet sich dadurch aus, dass Projektionsstrahlen von einer Projektionseinheit ausgestrahlt werden, die

Projektionsstrahlen seitlich radial aus einer Endoskopwand austreten, die Projektionsstrahlen von einer zu vermessenden Oberfläche reflektiert werden und von einer Abbildungseinheit im Endoskop planar auf einem Abbildungsmedium abgebildet werden, wobei die Abbildungseinheit bezüglich einer

Endoskopachse vor der Projektionseinheit angeordnet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Merkmale mit derselben Bezeichnung, jedoch in unterschiedlichen

Ausgestaltungsformen, werden dabei mit demselben

Bezugszeichen versehen.

Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Messendoskops mit einer Projektionseinheit und einer Abbildungseinheit zur Vermessung einer Oberfläche parallel zur Endoskopachse,

Figur 2 ein Endoskop mit dem Aufbau nach Figur 1, zur

Vermessung einer Oberfläche senkrecht zur

Endoskopachse, Figur 3 eine schematische Darstellung eines Endoskops, wobei

Abbildungseinheit und Projektionseinheit

entgegengesetzte Blickrichtungen aufweisen,

Figur 4 eine schematische Darstellung der Projektionseinheit mit Strahlengang,

Figur 5 eine schematische Darstellung des Strahlengangs der

Abbildungseinheit ,

Figur 6 eine schematische dreidimensionale transparente

Darstellung eines Endoskops mit einem Strahlengang gemäß der Figuren 1 oder 2,

Figur 7 eine dreidimensionale transparente Darstellung eines

Endoskops wie in Figur 6, jedoch mit einer

zusätzlichen Aufnahme von Strahlen aus der

Blickrichtung des Endoskops,

Figur 8 eine schematische Darstellung des Strahlenganges des

Endoskops aus Figur 7 und

Figur 9 eine dreidimensionale transparente Darstellung eines

Endoskops mit einem Aufbau von Projektoreinheit und

Abbildungseinheit gemäß Figur 3.

In den Figuren 1 und 2 ist der Aufbau eines 3D-Messendoskops mit einer Projektoreinheit 6 und einer Abbildungseinheit 8, die hintereinander auf einer Endoskopachse 10 liegen, dargestellt. Das Endoskop 2, dessen Außenwand 14 (vgl. bspw. Figur 6) in diesen Figuren nicht explizit dargestellt ist, dient zur Vermessung einer Oberfläche 4. Dabei kann die

Oberfläche 4, wie in Figur 1 dargestellt, ein Kanal sein, beispielsweise ein Hörkanal eines menschlichen Ohrs oder ein Bohrloch, weshalb die Wand 4 schematisch in Figur 1

zylindrisch dargestellt ist. Anders in Figur 2, hier ist dargestellt, wie das gleiche Endoskop 2 dazu dient, eine eher senkrecht stehende Wand 4 topographisch zu vermessen. Die zu vermessende Wand 4 ist in der Realität selbstverständlich komplex geformt, die geraden Linien, die in den Figuren 1 und 2 mit dem Bezugszeichen 4 versehen sind, dienen lediglich der schematischen zeichnerischen Veranschaulichung. Zur Vermessung der Topographie der Oberfläche 4 wird die Methode der Triangulation angewandt. Hierzu werden von der Projektionseinheit 6 Projektionsstrahlen 12, die

gegebenenfalls unterschiedliche Farbspektren umfassen, ausgesandt. Diese Projektionsstrahlen 12 treffen auf die Oberfläche 4 und werden dort reflektiert. Die

Abbildungseinheit 8 wiederum verfügt aufgrund einer

geeigneten Abbildungsoptik über ein Gesichtsfeld 34, das in den Figuren 1 und 2 jeweils durch die gestrichelten Linien veranschaulicht ist. Es ist dabei anzumerken, dass sowohl die Projektionsstrahlen 12 als auch das Gesichtsfeld 34, die in den Figuren 1 und 2 zweidimensional dargestellt sind, in der Realität dreidimensional rotationssymmetrisch verlaufen. Der Bereich, der sowohl von den Projektionsstrahlen 12 als auch von dem Gesichtsfeld 34 umfasst ist, also der Bereich, in dem sich die Projektionsstrahlen 12 und das Gesichtsfeld 34 schneiden, nennt man den Messbereich 54, der in den

Figuren 1 und 2 schraffiert dargestellt ist.

Eine Vermessung durch eine Triangulationsmethode kann nur in dem Bereich erfolgen, in dem sich Projektionsstrahlen 12 und Gesichtsfeld 34 schneiden. Je größer der Messbereich 54 ausgestaltet ist, desto größer ist der Bereich, der mit einer Messung durchgeführt werden kann. Insbesondere in beengten Hohlräumen ist es häufig schwierig, durch bekannte Methoden das Feld der Projektionsstrahlen und das Gesichtsfeld so zu gestalten, dass ein hinreichend großer Messbereich 54 gebildet wird.

Durch die beschriebene Reihen-Anordnung der

Projektionseinheit 6 und der Abbildungseinheit 8 auf der Endoskopachse 10 ist der in den Figuren 1 und 2 beschriebene Strahlengang erzielbar. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Projektionsstrahlen 12 radial seitlich durch eine geeignete Projektionsoptik an der Abbildungseinheit 8 vorbeigeleitet werden. Die Projektionsstrahlen treten aus einer hier nicht dargestellten Wand (vgl. beispielsweise Bezugszeichen 14 in Figur 6) aus und treffen auf die zu vermessende Oberfläche 4 auf. Die Abbildungseinheit 8, deren Blickrichtung mit der Blickrichtung 11 des Endoskops (Figur 1 nach rechts)

identisch ist, weist wiederum eine vorteilhafte Ausgestaltung eines sehr großen Gesichtsfeldes 34 (Gesichtsfeld) auf. Das Gesichtsfeld 34 der Abbildungseinheit 8 kann mehr als 180° betragen. Es ist zweckmäßig, dass das Gesichtsfeld 34 grundsätzlich einen größeren Winkel aufweist als der maximale Winkel, der durch die Projektionsstrahlen eingeschlossen wird. Über die Ausgestaltungsform einer Abbildungsoptik, die ein derartiges Gesichtsfeld 34 bereitstellt, wird später noch weiter eingegangen werden.

Zunächst soll an dieser Stelle noch die Figur 3 behandelt werden, die ebenfalls ein Messendoskop 2 zeigt, das denselben Serienaufbau (oder Reihenaufbau) von Projektionseinheit 6 und Abbildungseinheit 8 auf einer Endoskopachse 10 aufweist, die Projektionseinheit 6 entspricht der Projektionseinheit 6 der Figuren 1 und 2, ebenfalls der Strahlengang der

Projektionsstrahlen 12. Der einzige Unterschied zu den

Figuren 1 und 2 besteht darin, dass die Abbildungseinheit 8 praktisch um 180° gedreht ist und im Gesichtsfeld 34 so ausgestaltet ist, dass die Blickrichtung der

Abbildungseinheit 8 entgegengesetzt zur Blickrichtung 11 des Endoskops 2 angeordnet ist. Die Messung der

Triangulationsmethode erfolgt analog zu den Figuren 1 und 2. Es entsteht wiederum im Schnittbereich zwischen den

Projektionsstrahlen 12 und dem Gesichtsfeld 34 ein

Messbereich 54. Diese Anordnung nach Figur 3 kann

beispielsweise dann Anwendung finden, wenn in Blickrichtung 11 des Endoskops 2 eine zusätzliche Visualisierung

erforderlich ist. In diesem Fall kann am Ende des Endoskops 2 ein zusätzliches Kameraobjektiv mit Bildsensor untergebracht werden .

Im Folgenden soll anhand von Figur 4 näher auf die

Projektionseinheit 6 und auf eine Projektionsoptik 18 eingegangen werden. Die Projektionseinheit 6 umfasst eine Lichtquelle, die hier in vorteilhafter Weise in Form eines Lichtwellenleiters oder Lichtwellenleiterbündels 16

ausgestaltet ist. Der Lichtquelle vorgeschaltet ist eine Projektionsstruktur 20, die hier als Dia 22 ausgestaltet ist. Das Dia 22 in Figur 4 weist mehrere konzentrische Farbringe 24 auf. In der Figur 4 ist neben dem Querschnitt durch das Dia 22 noch eine Draufsicht auf das Dia 22 gegeben, die zur besseren Veranschaulichung der Anordnung der konzentrischen Farbringe 24 dient. Die Projektionsstruktur 20 kann

grundsätzlich auch in Form einer farbigen oder anderweitig gestalteten Linienstruktur ausgestaltet sein. Bei der hier dargestellten Ausgestaltung handelt es sich um das so

genannte Color Coded Triangulation-Verfahren, wobei die

Farbringe 24 (üblicherweise zwischen 15 und 25 Stück,

bevorzugt etwa 20 Stück) ein farbcodiertes Ringmuster

ausbildet .

Die Projektionsstrahlen 12, die vom Lichtwellenleiter 16 kommen und die in diesem Beispiel durch eine hier nicht dargestellte LED ausgestrahlt werden, verlaufen nahezu senkrecht durch das Dia 22, werden durch eine geeignete

Projektionsoptik 18 umgelenkt und treffen in einer Pupille 26 so aufeinander, dass sich jeweils Hauptstrahlen in der

Pupille 26 nahezu punktförmig treffen. Hierbei spricht man von einer diaseitig telezentrischen Projektoreinheit.

Im weiteren Verlauf trennen sich die einzelnen

Projektionsstrahlen 12 nach ihrer Farbe wieder auf und treffen als Farbmuster auf der zu vermessenden Oberfläche 4 auf. Die zu vermessende Oberfläche 4 ist in Figur 4 nun als kreisförmiges Feld dargestellt. Die Auffächerung der

Projektionsstrahlen 12 ergibt einen so genannten

Projektionsraum 36. Durch die unregelmäßige Topographie der Oberfläche 4 (die hier nicht veranschaulicht ist) treffen die einstmals bei Durchstrahlungen des Dias 22 parallel verlaufenden

Projektionsstrahlen 12 in unterschiedlichem Abstand vom Projektionsobjektiv auf die Oberfläche 4. Aus einer anderen Blickrichtung erscheint das an der Oberfläche 4 reflektierte Projektionsbild verzerrt und wird durch eine noch zu

beschreibende Abbildungsoptik auf ein Abbildungsmedium 28 abgebildet, wobei durch eine geeignete Auswertungsmethode rechnerisch durch die Bewertung der Farbübergänge und der Verzerrung der Farblinien die Topographie der Oberfläche 4 bestimmt werden kann.

Im Weiteren soll auf eine vorteilhafte Abbildungseinheit 8 mit einer vorteilhaften Abbildungsoptik 32 eingegangen werden. Die an der Oberfläche 4 reflektierten

Projektionsstrahlen 12 werden im Folgenden als

Abbildungsstrahlen 42 bezeichnet. Die Abbildungsstrahlen 42 treffen auf einen gewölbten Spiegel 38, der in Blickrichtung 11 des Endoskops konvex gewölbt ist. Der gewölbte Spiegel 38 reflektiert die Abbildungsstrahlen 42 in Blickrichtung 11 des Endoskops 2 auf einen weiteren planaren Spiegel 40, dieser wiederum reflektiert die Abbildungsstrahlen ein weiteres mal. Diese zweite Reflektion der Abbildungsstrahlen 42 ist derart gerichtet, dass die reflektierten Strahlen 42 durch eine Öffnung 44 im gewölbten Spiegel 38 gelenkt werden.

In dieser Öffnung 44, die insbesondere zentral im Spiegel 38 angeordnet ist, ist eine Linse 56 vorgesehen, über die die Strahlen 42 weiter durch einen Achromat 58 verlaufen und schließlich auf ein Abbildungsmedium 28 treffen, das in diesem Beispiel als Sensorchip 30 ausgestaltet ist, wie er beispielsweise auch in Digitalkameras eingesetzt wird.

Grundsätzlich ist es möglich, zwischen dem Achromat 58 und dem Sensorchip 30 noch ein weiteres Prisma 46 anzuordnen, wie es in Figur 7 bzw. auch in Figur 6 dargestellt ist, wodurch der Sensorchip 30 bezüglich seiner Lage zur Endoskopachse 10 umgestellt werden kann. Es kann zweckmäßig sein, den

Sensorchip 30 parallel zur Endoskopachse anzuordnen. Das bedeutet, dass eine Flächennormale des Sensorchips 30

senkrecht oder zumindest nicht parallel zur Endoskopachse 10 verläuft . In der Figur 6 ist zur besseren Veranschaulichung der bisher abstrakten Darstellung der Strahlengänge im Endoskop 2 eine dreidimensionale transparente Darstellung eines Endoskops 2 in einen Endbereich gegeben. Dieser Aufbau nach Figur 6 entspricht den Strahlengängen, wie sie in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind. Die Strahlengänge der Abbildungsstrahlen 42 sind in dieser Darstellung der besseren Übersicht halber nicht vollständig dargestellt (hierzu siehe Fig. 8) . In Figur 6 sind wiederum nur die Strahlengänge schematisch

dargestellt, wobei das Augenmerk auf die Darstellung der gegenständlichen Einheiten des Endoskops 2, nämlich der

Projektionseinheit 6, und der Abbildungseinheit 8 gelegt ist. Das Endoskop hat einen Durchmesser, der bevorzugt zwischen 3 mm und 5 mm liegt. Die Projektionseinheit ist üblicherweise ca. 10 mm lang.

Die Projektionseinheit 6 strahlt die Projektionsstrahlen 12 durch die Endoskopwand 14 radial nach außen. Die hier

dargestellte Strahlrichtung nach oben dient wiederum

lediglich der besseren Übersicht. In der Realität treten die Projektionsstrahlen rotationssymmetrisch aus dem Endoskop 2 aus. An der Oberfläche 4 werden die Projektionsstrahlen 12 reflektiert und durch die Abbildungseinheit 8 aufgenommen. Die Abbildungseinheit 8 ist auf der Endoskopachse 10 in

Blickrichtung 11 vor der Projektionseinheit 6 angeordnet. Die Präposition „vor" steht dafür dass die Abbildungseinheit 8 bezüglich der Projektionseinheit 6 auf der Endoskopachse in Pfeilrichtung des Pfeils 11 angeordnet ist. In diesem sinne wird die Präposition „vor" im Weiteren verwendet. Die

Präposition wird für eine Anordnung eines genannten

Gegenstandes entgegengesetzt der Pfeilrichtung verwendet.

Die Abbildungsstrahlen 42 (hier nicht dargestellt, vgl. Figur 8) werden, wie bereits in Figur 5 beschrieben, über den gewölbten Spiegel 38 und den planaren Spiegel 34 auf den Sensorchip 30 gelenkt, wobei sie in dieser Ausgestaltungsform noch über ein Prisma 46 auf den Sensorchip 30 umgelenkt werden .

Eine im Prinzip identische Anordnung bezüglich Figur 6 ist in Figur 7 gegeben. Die in Figur 7 veranschaulichte

Ausgestaltungsform ermöglicht es jedoch, noch zusätzlich für das Endoskop Gegenstände 60, die in Blickrichtung 11 des Endoskops liegen, aufzunehmen. Die Art und Weise, wie diese zusätzliche Funktion des

Endoskops 2 gemäß Figur 7 ausgestaltet ist, ist in Figur 8 schematisiert dargestellt. Bezüglich der Messendoskopie weist die Figur 8 denselben Strahlengang der Projektionsstrahlen 12 und der Abbildungsstrahlen 42 auf, wie sie in den Figuren 1, 2, 4, 5, 6 und 7 dargestellt sind. Die Projektionseinheit 18 projiziert farbige Projektionsstrahlen 12 über eine

Projektionsoptik 18 radial an der Abbildungseinheit 8 vorbei an die Oberfläche 4. Die Oberfläche 4 reflektiert die

Projektionsstrahlen 12 in Form von Abbildungsstrahlen 42, die über den gewölbten Spiegel 38 aufgenommen und umgelenkt werden und über den planaren Spiegel 40 durch eine Öffnung 44 im gewölbten Spiegel 38 auf den Sensorchip 30 auftreffen.

Wie in Figur 4 zu erkennen ist, weist die ringförmige

Struktur des Dias 22 in der Mitte eine konzentrische Öffnung auf. Die zu analysierenden Projektionsstrahlen 12 laufen demnach nur durch den äußeren Bereich des Dias 22. Der zentrale Bereich des Dias 22 wird nicht für die Projektion bzw. für die Abbildung herangezogen. Dies bedeutet im

Weiteren, dass die Abbildung auf dem Sensorchip 30 ebenfalls nur im äußeren Bereich des Sensorchips erfolgt. Der zentrale Bereich des Sensorchips wird durch den Strahlengang der

Projektionsstrahlen 12 und der Abbildungsstrahlen 42 nicht belichtet .

Der zentrale Bereich des Sensorchips 30 ist somit noch für eine weitere Funktion verwendbar. Aus diesem Grund hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den planaren Spiegel 40 ebenfalls mit einer zentralen Öffnung 48 zu versehen, durch die Lichtstrahlen 50 treten können, die durch Gegenstände 60 reflektiert werden und die in Blickrichtung 11 des Endoskops 2 angeordnet sind. Diese Lichtstrahlen 50 treffen durch die Öffnung 48 des planaren Spiegels ferner durch die Öffnung 44 des gewölbten Spiegels 38 und treffen anschließend im

zentralen Bereich des Sensorchips auf. Dieser zentrale

Bereich des Sensorchips 30 kann somit für die Visualisierung der in Blickrichtung 11 des Endoskops liegenden Gegenstände 60 dienen.

Das Endoskop 2 hat somit eine Doppelfunktion als Kamera und als Messendoskop zur Bestimmung der umliegenden Topographie. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung gemäß Figur 8 kann der Bediener bei der Steuerung des Endoskops gleichzeitig

erkennen, was sich vor seinem Endoskop abspielt, so dass eine sichere Führung des Endoskops ermöglicht wird. Im Allgemeinen reicht das Streulicht der Projektionsstrahlen aus, um Gegenstände 60 vor dem Endoskop zu beleuchten. Für eine Otoskop- funktion des Endoskops könnte die Bildrate auf bis zu 2 Hz reduziert werden. Sollte das Licht zur Beobachtung der

Gegenstände 60 zu gering werden, kann im vorderen

Endoskopbereich noch eine zusätzliche Beleuchtungseinheit angebracht werden.

Üblicherweise wird der Sensorchip zur Aufnahme der

Abbildungsstrahlen 42 mit einer Frequenz von 10 Hz belichtet. Die Shutteröffnungszeit beträgt dabei etwa 10 ms. Das

bedeutet, dass bei einer Belichtungsfrequenz von 10 Hz zwischen den Shutteröffnungen eine Pause von 90 ms liegt.

Während dieser Zeit werden die Sensorchipaufnahmen durch eine Berechungssoftware ausgewertet. (Shutteröffnungszeit ist die Zeit, in der die auf den Sensorchip auftreffenden

Abbildungsstrahlen 42 gemessen werden.)

Im Weiteren soll noch auf die Figur 9 eingegangen werden, die eine dreidimensionale, transparente Darstellung eines

Endoskops 2 gemäß Figur 3 bietet. Wie bereits beschrieben, unterscheidet sich der Aufbau des Endoskops 2 gemäß Figur 3 von den Figuren 1 und 2 lediglich dadurch, dass die

Abbildungseinheit 8 bezüglich ihrer Blickrichtung um 180° zur Blickrichtung 11 des Endoskops gedreht ist. Dies bedeutet in der Praxis, dass die Abbildungsoptik 32 im Wesentlichen analog aufgebaut ist, das Abbildungsmedium 28, insbesondere der Sensorchip 30, befindet sich jedoch bei einem derartigen Aufbau in Blickrichtung 11 des Endoskops 2 vor der

Abbildungsoptik 32. (Im Gegensatz dazu liegt das

Abbildungsmedium 28 bezüglich der Blickrichtung 11 hinter der Abbildungsoptik 32, wenn die Abbildungseinheit 8 wie in den Beispielen nach Figur 1 und 2 dieselbe Blickrichtung hat wie die Blickrichtung 11 des Endoskops.) Die Abbildungseinheit nach Figur 9 weist ebenfalls einen gewölbten Spiegel 38 auf, der dazu dient, ein Gesichtsfeld von mehr als 180°C

bereitzustellen. Vom Spiegel 38 werden die Abbildungsstrahlen 42 durch eine Abbildungsoptik 32 zum Sensorchip 30 gelenkt und dort detektiert. Es ist ferner zweckmäßig, in einem Messendoskop gemäß Figur 9 vor der Abbildungseinheit eine weitere, hier nicht

dargestellte Aufnahmeeinheit anzuordnen, die gegebenenfalls einen separaten Sensorchip und eine separate Optik umfasst und die speziell dazu dient, Objekte, die vor dem Endoskop liegen, optisch zu erfassen. Somit hat das Endoskop eine

Messfunktion, zum Vermessen der Oberflächentopographie und eine Blickfunktion, durch die der Anwender gut in den zu vermessenden Raum hinein blicken kann und das Endoskop lenken kann .

Die bisher beschriebene Anordnung des Messendoskops 2 kann grundsätzlich für alle Messungen in engen Hohlräumen

angewandt werden. Eine besonders vorteilhafte Anwendung des Endoskops 2 ist in Form eines für Messzwecke geeigneten

Otoskops, das in ein Ohr eingeführt wird und zur Vermessung des Gehörkanals bzw. (vgl. Figur 2) zur Vermessung der

Ohrmuschel, beispielsweise zur Anfertigung eines geeigneten Gehörgerätes , dient, dargestellt. Die bereits beschriebene, so genannte Color Coded Triangulation hat hierfür den

Vorteil, dass die Projektion eines codierten Farbmusters bei nur einer Bildaufnahme der Empfangseinheit (Abbildungseinheit 8) ausreichend ist, um die 3D-Form eines Objektes zu

berechnen. Dies bedeutet, dass die einfache Projektion in Analogie zur Diaprojektion angewendet werden kann und keine zusätzliche Änderung der Projektionsstruktur notwendig ist, wie dies beispielweise bei der sog. Phasentriangulation notwendig ist. Dies hat zudem den Vorteil, dass ein

freihändiges Scannen durch einen Arzt nahezu verwacklungsfrei möglich ist.

Andere Anwendungen des Endoskops 2 können in einem

technischen Bereich liegen. Wenn beispielsweise zur

Qualitätssicherung Bohrungen oder andere Hohlräume exakt vermessen werden müssen, ist die Anwendung eines derartig bauraumsparenden Endoskops 2 zweckmäßig. Beispielsweise bei Nietbohrungen, die zur Nietung von Flugzeugbauteilen dienen, werden sehr hohe Anforderungen an deren Topographie gestellt. Durch ein derartiges erfindungsgemäßes Endoskop können hochgenaue Topographiemessungen in sehr engen Bohrungen erfolgen .

Claims

Patentansprüche

1. Endoskop zur Messung der Topographie einer Oberfläche (4) mit einer Projektionseinheit (6) und einer Abbildungseinheit (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionseinheit und die Abbildungseinheit bezüglich einer Endoskopachse (10) hintereinander angeordnet sind wobei die Abbildungseinheit 8 auf der Endoskopachse 10 in einer Blickrichtung 11 des

Endoskops vor der Projektionseinheit 6 angeordnet ist.

2. Endoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Topographie mittels einer aktiven Triangulation erfolgt .

3. Endoskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Projektionsstrahlen (12) der Projektionseinheit (6) radial seitlich an der Abbildungseinheit (8) vorbei

verlaufen .

4. Endoskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsstrahlen (12) seitlich aus einer Endoskopwand (14) austreten .

5. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtversorgung der

Projektionseinheit (6) über einen Lichtwellenleiter (16) erfolgt .

6. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtversorgung und einer

Projektionsoptik (18) der Projektionseinheit (6) eine

Projektionsstruktur (20) mit einer Farbcodierung vorgesehen ist .

7. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsstruktur (10) eine radialsymmetrische Struktur aufweist.

8. Endoskop nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsstruktur (20) in Form eines Dias (22) ausgestaltet ist.

9. Endoskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dia (22) mit einer konzentrische Farbringe (24) umfassenden Farbcodierung ausgestaltet ist.

10. Endoskop nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsstruktur (20) direkt vor dem Lichtwellenleiter (16) angeordnet ist und

Projektionsstrahlen (12) zwischen Projektionsstruktur und Proj ektionsoptik ( 18 ) telezentrisch verlaufen.

11. Endoskop nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Projektionsoptik (18) eine Pupille (26) umfasst, in deren Bereich Strahlenbündel der durchstrahlten Farbringe (24) zusammentreffen.

12. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungseinheit (8) ein

Abbildungsmedium (28) in Form eines Sensorchips (30) einer Digitalkamera aufweist.

13. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abbildungsoptik (32) der

Abbildungseinheit (8) ein Gesichtsfeld ( 34 ) erfasst, das der Größe des Projektionsfeldes angepasst ist.

14. Endoskop nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (32) einen gewölbten Spiegel (38) und einen planaren Spiegel (40) umfasst, wobei der gewölbte

Spiegel (38) in Richtung des planaren Spiegels (40) konvex gewölbt ist und zur Umlenkung von Abbildungsstrahlen (42) auf den planaren Spiegel dient und der planare Spiegel (40) wiederum zu einer Umlenkung der Abbildungsstrahlen (42) in eine zentrale Öffnung (44) des gewölbten Spiegels (38) dient.

15. Endoskop nach 14, dadurch gekennzeichnet, dass das

Abbildungsmedium (28) bezüglich einer Blickrichtung (11) des Endoskops (2) hinter dem gewölbten Spiegel (38) angeordnet ist .

16. Endoskop nach Anspruch 14 oder 15, dadurch

gekennzeichnet, dass bezüglich der Blickrichtung (11) hinter dem gewölbten Spiegel (38) ein Prisma (46) vorgesehen ist, das zur weiteren Umlenkung der Abbildungsstrahlen (42) auf das Abbildungsmedium (28) dient, wobei eine Flächennormale des Abbildungsmediums (28) nicht parallel zur Endoskopachse (10) verläuft.

17. Endoskop nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der planare Spiegel (40) eine Öffnung

(48) aufweist, die zum Durchlass von Lichtstrahlen (50), die entgegengesetzt der Blickrichtung (11) des Endoskops (2) verlaufen, dient.

18. Endoskop nach 17, dadurch gekennzeichnet, dass die

Lichtstahlen (50) ebenfalls die Öffnung (44) im gewölbten Spiegel (38) durchlaufen und auf einem zentrumsnahen Bereich (52) des Abbildungsmediums (28) auftreffen.

19. Endoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich der Blickrichtung (11) des Endoskops (2) das Abbildungsmedium (28) vor der

Abbildungsoptik (32) angeordnet ist.

20. Verfahren zur Messung der Topographie einer Oberfläche mittels eines Endoskops nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Projektionsstrahlen von einer Projektionseinheit ausgestrahlt werden, die

Projektionsstrahlen seitlich radial aus einer Endoskopwand austreten, die Projektionsstrahlen von einer zu vermessenden Oberfläche reflektiert werden und von einer Abbildungseinheit im Endoskop, die bezüglich einer Endoskopachse vor der Projektionseinheit angeordnet ist, planar auf einem Abbildungsmedium abgebildet werden.