JP5383509B2 - 光線束の発生方法、光偏向要素および光学式測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、均質な１次光線束を円錐面形状に広げることを可能にする光偏向要素に関する。更に、本発明は、前記光偏向要素を有し、対象物内に形成されている空洞の３次元測定のための光学式測定装置に関する。更に、本発明は、前記光偏向要素を用いて同軸に扇形に広げられて空間的に構造化された光線束の発生方法に関する。

空洞の少なくともほぼ管状の内面の表面構造が、光学的な三角測量により３次元で検出可能である。その都度の被検出空洞の内面に空間的に構造化された照明パターンが投射され、光景がカメラシステムによりディジタル検出される。表面形状から結果として生じる内壁に投射された照明パターンの歪みの測定（これは公知の画像処理方法により自動的なやり方で行なうことができる。）によって、空洞の形状を描写するディジタルモデルを算定することができる。この場合に、最初は対称でかつ光軸に対して同心である既知の円形からの被検出投射線の偏差もしくは歪みが検出される。

光学的な三角測量によるこの種の空洞測定は、人間の耳道の測定もしくは輪郭描出に有利なやり方で応用可能である。したがって、耳道の解剖学的構造のために、４ｍｍの最大直径を上回ってはならない光学式測定装置が準備されなければならない。この限界条件は、空洞測定のために耳道に挿入しなければならないこの種の光学式測定装置の対象物側の光学系全体に適用される。対象物側の光学系は、少なくともカメラシステムと、構造化された照明を発生するための光学要素とを含む。この場合にカメラシステムおよび光学要素は、光学式測定装置の共通な光軸に対して同軸に配置されている。

構造化された照明の発生のために回折による光学要素を使用することは公知である。特に、いわゆるダマン格子としても公知である（バイナリ）位相格子は、とりわけ有利な構造によって、１次光線束の入射強度を選択的にかつ場合によっては大々的に一様に特定の回折次数に配分することができる。

同心環からなる構造化された照明パターンを発生させるために、いわゆる円形のダマン格子が公知である（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、これは円形の位相格子の光軸に対して大きな偏向角を得ることが困難であるという欠点を有する。大きな偏向角は確かに原理的に極めて小さい１５０ｎｍ範囲の位相格子構造の使用によって可能であるが、しかしこのように小さい位相格子構造を製作することは技術的に極めて困難である。というのは、このように微細な格子の製作のためには、今日一般に使用される４００ｎｍという最善の分解能を有するエッチングプロセスよりも明らかに微細な構造化を要求するエッチングが必要とされるからである。

Ｃｈａｎｇｈｅ Ｚｈｏｕ，Ｊｉａ Ｊｉａ，Ｌｉｒｅｎ Ｌｉｕ；Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｄａｍｍａｎ Ｇｒａｔｉｎｇ；Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．２２，２００３，ｐｐ２１７４−２１７６

本発明の課題は、１次光線束を広幅に扇形展開することを可能にし、かつ比較的簡単に製作可能である光偏向要素を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、独立請求項の対象によって解決される。光偏向要素の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

独立請求項１によれば、光偏向要素の光軸に対して同軸に扇形に広げられて空間的に構造化された光線束を屈折により発生させる光偏向要素が開示されている。この光偏向要素は、少なくとも部分的に光透過性材料から作られている基材を有し、その基材が光入口面および光出口面を有する。光入口面は、１次光線束が基材内に入射可能であるように構成されている。光出口面は光偏向要素の光軸に関して円筒対称の輪郭を有し、その輪郭が基材に凹みを定める。

上記の光偏向要素は、光出口面における凹面輪郭、すなわち内側に向けて窪んだ円筒対称に形成された輪郭によって、光境界面における屈折により簡単に比較的広幅なビーム扇形展開が実現可能であるという認識に基づいている。輪郭のそれぞれの放射範囲が光軸と共になす角度が、スネルの屈折の法則にしたがって空間的な扇形展開の強さを決定する。

上記の光偏向要素は、公知の回折光学要素に比べて明らかに少ない費用で製作することができる。従来の機械的な製作方法のほかに、特に割安の大量生産にとって好適であると考えられるプレス法も適している。

請求項２による本発明の実施態様によれば、輪郭が第１の環状部分を有し、第１の環状部分が実質的に基材の内部に向けられた円錐の第１の円錐面の少なくとも一部分の形状を有する。第１の円錐面の円錐面線と光軸とは第１の角度を形成している。

輪郭が実質的に完全な円錐面を有する場合には、自動的に円筒対称の輪郭の上記条件が満たされる。輪郭が不完全な円錐面の形状を有する場合に、円筒対称の輪郭の上記条件は、輪郭が円錐台の円錐面の形状を有する場合に満たされる。

用語「円錐面線」は、回転体である円錐の円錐面上をその回転軸に沿って延びる線であると理解することができる。回転軸は光偏向要素もしくは基材の光軸と一致する。したがって、円錐面線は、円錐または円錐台の実際または仮想の尖端と、基礎円の周縁点との間の接続線分である。

円錐面線と光軸との間における上記の第１の角度は、基材の内部に向けられた円錐の開き角度のちょうど半分の大きさである。円錐の開き角度の選択によって、簡単に、角度偏向およびそれにともなう光出口面から出射する光円錐の扇形展開の程度を決定することができる。

請求項３による本発明の他の実施態様によれば、輪郭が、半径方向において第１の環状部分の外側に配置されている第２の環状部分を有し、第２の環状部分が実質的に円錐台の第２の円錐面の形状を有する。第２の円錐面の円錐面線と光軸とは第１の角度と異なる第２の角度を形成している。

それゆえ、上記の環状部分は、互いに同軸に配置された実質的に円錐形の異なる面である。しかも各面は、円錐の開き角度および基材の屈折率に応じて、１次光線束を特定の開き角度にて円筒対称状に扇形展開する。したがって、光出口面から出射する光線束は、異なる開き角度を持った２つの円錐面形状の光構造を有する。それゆえ、光軸に対して平行かつ同軸に向けられた円筒状の空洞の場合に、円筒状の空洞の内壁に円環状の投射線を発生させることができる。

請求項４による本発明の他の実施態様によれば、輪郭が、半径方向において第２の環状部分の外側に配置されている少なくとも１つの第３の環状部分を有し、第３の環状部分がほぼ円錐台の第３の円錐面の形状を有する。第３の円錐面の円錐面線と光軸とは第２の角度と異なる第３角度を形成している。

光出口面から出射する円錐面形状の光構造の全てが異なる開き角度を有するように、第３角度も第１の角度と異なるとよい。

指摘しておくに、円筒対称の輪郭が３つよりも多い部分に分割されていてもよい。したがって、光入口面に入射する１次光線束は、原理的に任意に細かく空間的に構造化することができるので、多数の円錐面形状の光構造を簡単に発生させることができる。

複数の円錐面形状の光構造の使用によって、人間の耳道の測定時に、照明パターン全体の構造を、測定すべき耳道の予想される形状に特に良好にマッチングさせることができる。光軸に対して種々の角度のもとで複数の同軸のリングを耳道内壁上へ投射することが特に好適であると考えられる。光学式測定装置において、多くの用途で要求されるように全空間方向における５０μｍの位置分解能を保証する十分大きい三角測量角度を得るために、光軸に対して１０°から３０°までの範囲にある照明角度が必要である。この種の照明角度は上述の光偏向要素により問題なく達成される。三角測量角度は、一般に照明光のビーム経路とカメラによって検出される測定光のビーム経路との間の角度間隔によって定められている。

請求項５による本発明の他の実施態様によれば、第１の角度と直角との間の角度差は、第２の角度と直角との間の角度差よりも大きい。これは、光軸に対して垂直に向けられた横断面に関して、外側の円錐形面が内側の円錐形面よりも平らな傾斜を有することを意味する。

上述の段階をつけた傾斜角度による異なる円錐形面の形成は、光偏向要素を特に簡単に製作することができるという利点を有する。この場合に、円筒対称の凹みの形成は、（ａ）第１の環状部分に小さな開き角度を有する第１の円錐状の凹みが割り当てられ、（ｂ）第２の環状部分に大きな開き角度を有する第２の円錐状の凹みが割り当てられている２段階加工によって行なわれるとよい。加工ステップ（ａ），（ｂ）の順序は重要でない。

ここで指摘しておくに、個々の環状部分に関する外側から内側へ向けての、すなわち光軸へ向けての上述の角度差の段階的増加が３つよりも多い環状部分によっても相応に実現可能である。

請求項６による本発明の他の実施態様によれば、第１の角度と直角との間の角度差は、第２の角度と直角との間の角度差よりも小さい。これは、光軸に対して垂直に向けられた横断面に関して、外側の円錐形面が内側の円錐形面よりも急な傾斜を有することを意味する。

この実施態様により示された段階をつけられた傾斜角は次の利点を持つ。すなわち、外側の環状部分の円錐面において基材の光出口側から出射する光ビームが、内側にある他の環状部分の円錐面において基材の光出口面から出射する光ビームよりも強く屈折させられて光軸から遠く離れるという利点を持つ。したがって、光出口面から出射する個々の光構造は交差しないので、個々のビーム通路の経過が特に明快である。

請求項７による本発明の他の実施態様によれば、第１の環状部分は基材の内部に向けられた円錐の第１の円錐面の少なくとも一部分の形状を有し、第２の環状部分が円錐台の第２の円錐面の形状を有し、および／または第３の環状部分が円錐台の第３の円錐面の形状を有する。上述のできるだけ厳密に円錐状のもしくは円錐台状の凹みは、凹みが有効かつ同時に特に簡単に基材に形成可能であるという利点を持つ。凹みの大きさおよび／または光透過性材料の機械的な加工性に応じて、光偏向要素の製作のために、例えば機械的な回転、プレスまたは加熱プレスのような種々の方法が使用可能である。

請求項８による本発明の他の実施態様によれば、第１の環状部分、第２の環状部分および／または第３の環状部分は湾曲した表面を有する。それぞれの表面は互いに独立に凹面または凸面を有するとよい。

個々の環状部分における上述の湾曲は、軽く湾曲させられた異なる円錐形面から出射する光ビームが個別に集光可能であるという利点を持つ。この場合に１つの円錐形面における凸状の光境界面が当該光構造の軽い集光を生じる。

請求項９による本発明の他の実施態様によれば、基材が筒、特に円筒の外形を有する。したがって、上述の光偏向要素は例えばいわゆる棒状レンズから作ることができる。

光偏向要素の基材は、少なくとも部分的に高い屈折率を有する材料からなることが好ましい。これは、特に約４０５ｎｍの波長に適用される。これは、通常の半導体レーザダイオードの干渉光が特に強く扇形に広げられ得るという利点を持つ。更に、光スペクトルにおいて比較的短いこの波長を有する光は、長波光よりも明らかに少ない人間皮膚への侵入深さを持つ。

請求項１０による本発明の他の実施態様によれば、光入口面が凸状の湾曲を有する。この関係において、凸状の湾曲は、光入口面が同様に基材に関して外側に向けて膨らんでいる輪郭を有することを意味する。これは、普通の球体表面のような輪郭の場合に、当該球体表面の曲率中心が光入口面に関して基材側にあることを意味する。

凸状の湾曲は、光入口面において基材に入射する１次光線束の屈折によって１次光線束がその湾曲の強さに依存して集光されるという利点を持つ。この場合に光入口面の湾曲がその都度の用途に適合されるとよい。少なくとも実質的に円筒状の空洞の内壁へ光構造が投射される場合に、集光は、光構造が測定すべき空洞の内壁における鮮明かつできるだけ微細な照射線を具現するように調整されるとよい。

請求項１１による本発明の他の実施態様によれば、光入口面が、湾曲した第１の環状部分と少なくとも１つの湾曲した第２の環状部分とを有する。それぞれの表面は互いに独立に凹面または凸面を有することができる。

光出口面における環状部分の全述の個別的湾曲と同様に、光入口面における個々の環状部分の個別的湾曲は、異なる円錐形面から出射する光ビームが個別的に集光可能であるという利点を持つ。１つの円錐形面の凸状の光境界面が当該光構造の軽い集光をもたらす。凸状の光境界面なしにも円環状の線への光構造の集光が与えられている場合、１つの円錐形面の軽い凹状の光境界面が、背後に向けての焦点移動、すなわち前述の円環状の線よりも光偏向要素の光出口面から遠くに隔てられた位置への当該光構造の焦点移動をもたらす。

光入口面における個々の環状部分の個別的な湾曲が、光出口面における環状部分の個別的な湾曲に比べて、例えば機械的な回転、プレスまたは加熱形成のような従来の加工方法によって著しく簡単に製作可能である。これは、光入口面が光出口面に比べて著しく簡単なトポロジーもしくは表面構造を有し、したがって相応の湾曲が容易に形成可能であるという理由からである。

請求項１２による本発明の他の実施態様によれば、基材が、光軸に対して同軸に延びた貫通口を有する。

これは、光偏向要素を通して観察光学系もしくはカメラを案内することができる可能性をもたらす。これは、空洞の内壁に投射される照明線の空間的測定によって空洞の大きさおよび／または形状を測定するコンパクトに構成された光測定器具に光偏向要素が使用される場合に特に有利である。

請求項１３による本発明の他の実施態様によれば、貫通口が光軸に対して同軸に配置された筒体の形状を有する中心孔である。

上記中心孔は、光偏向要素が特に簡単に、したがってコストを節約して製作可能であるという利点を持つ。

請求項１４により、対象物内に形成されている空洞の３次元測定、特に人間または動物の生体の耳道の３次元測定のための光学式測定装置が開示されている。
光学式測定装置は、
（ａ）照明ビーム通路に沿って照明光を送出するように構成された光源と、
（ｂ）光偏向要素とを有し、
この光偏向要素は、送出された照明光を、空間的に次のように、すなわち光偏向要素の光軸の周りを取り巻きかつ空洞の大きさおよび形状に依存した形状を有する少なくとも１つの照明線が内壁に発生させられるように構造化し、
光学式測定装置は、さらに、
（ｃ）少なくとも１つの照明線を結像ビーム通路を介して三角測量角度で検出するカメラを有する。

上記の光学式測定装置は、測定すべき空洞の内壁に投射される円筒対称に構造化された照明によって、一部変更された三角測量法を用いた簡単に空洞の３次元（３Ｄ）測定を実現することができるという認識に基づいている。少なくとも１つの照明線の形状がカメラによって検出される。カメラは、好ましくは光軸に対して対称に、１つまたは複数の投射環の２次元（２Ｄ）画像を撮影する。検出された照明線の、光軸に対して同軸の対称な円形からの偏差もしくは歪みに基づいて、空洞の内壁を３Ｄにて測定することができる。

上記の光学式測定装置は、その都度１つの測定点のみが照明され、照明された測定点の高さ位置が検出される３次元距離センサに比べて、光軸の周りに配置されている多数の測定点が擬似的に同時に（自動的に）測定されるという利点を持つ。このようにして全体として著しく高められた走査速度が得られる。

好ましくは複数の照明構造が発生され、発生された各照明構造がそれぞれ円錐面の形状を有する。このようにして、同時に唯一のカメラ画像により検出可能な測定点の個数を更に高めることができる。

光学式測定装置の光軸の周りに対称的に延びている円筒状の空洞の場合には、光軸に対して同軸に形成もしくは配置されている照明環が生じる。光学式測定装置の光軸に対して相対的に平行ずれを有する円筒軸の周りに延びている円筒状の空洞の場合、光軸に対して楕円形状を有する照明線がその形状をゆがめられる。この場合に、光軸から第２の壁範囲よりも遠くに離れている内壁の第１の範囲において隣接する照明線が互いにより遠くに隔てられている。これは、個々の照明構造の円錐形の展開に基づいて、隣接する照明線が光軸からの距離の増大にともなってより遠くに互いに隔てられていることによる。したがって、カメラによって検出される照明線の３Ｄ形状の理想的な円形からの差異と同様に、隣接する照明線の間隔も空洞の３Ｄ輪郭に関する情報を提供することが明らかである。

ここで明確に指摘しておくに、既に照明構造もしくは場合によっては変形した照明線は測定すべき空洞の大きさおよび形状に関する３Ｄ情報を含んでいる。それにもかかわらず、特に測定速度および空間的分解能の理由から、光源から送出される照明光を多数の円錐状に広げられた照明構造に構造化することが有利である。

三角測量角度での照明線の検出は、結像光のビーム通路が、照明光のビーム通路と共に、すなわち円錐形の照明構造のそれぞれの開き角度と共に、０°と異なる角度を形成することを意味する。

この角度は三角測量角度と呼ばれる。この三角測量角度が大きければ大きいほど３Ｄ位置決定の精度が高い。

上記の光学式測定装置は、３Ｄ測定のために測定装置内に可動部分および特に可動の光学構成要素が必要でないという利点を持つ。これは、光学式測定装置が比較的低コストで製作可能であり、更に測定装置の信頼性も実際の使用条件のもとで非常に高いことを意味する。

ここで指摘しておくに、比較的大きな空洞の測定のためには測定装置全体が光軸に沿って移動されるとよい。このような移動の際に撮影される部分画像は、適切な画像処理方法によって再合成可能である。この種の合成は、しばしばスティッチングとも呼ばれる。

請求項１５による本発明の他の実施態様によれば、光学式測定装置がカメラの後に接続されている評価ユニットを有し、評価ユニットが、カメラによって検出された少なくとも１つの照明線の画像処理によって、空洞の少なくとも一部の大きさおよび形状が自動的に決定可能であるように構成されている。

したがって、上記の評価ユニットが、カメラによって検出された２Ｄ画像の自動的な画像評価を有利に可能にするので、光学式測定装置の出力量として、直接に被測定空洞の３Ｄデータを更なるデータ処理のために用意することができる。

請求項１６による本発明の他の実施態様によれば、光学式測定装置が照明ビーム通路内に配置されている投射レンズを付加的に有する。これは、場合によっては光出口面の実質的に円錐形の面の適切な湾曲との組み合わせにて照明の焦点合わせが達成可能であるので、照明線が、測定すべき空洞の内壁にできるだけ鮮明に描出され、それゆえに鮮明な構造としてカメラによって検出可能であるという利点を持つ。

したがって、このレンズの焦点距離の最適な選択は、レンズに当たる照明ビームの扇形展開、レンズと光偏向要素との間の照明光の光路長ならびに光偏向要素と内壁との間の光路長に依存する。したがって、このレンズの焦点距離は、上記の光学式測定装置の設計のみならず、測定すべき空洞のほぼ予想される大きさにも依存する。

ここで指摘しておくに、光偏向要素の実施態様との関連で既に述べた基材の光入口面の凸状湾曲も定性的にここで述べた投射レンズと同じ作用を有する。したがって、同じことが光出口面におけるほぼ円錐形の面の湾曲にも当てはまる。

請求項１７による本発明の他の実施態様によれば、光学式測定装置が、光偏向要素の光軸において傾斜した角度で配置されたビームスプリッタを付加的に有する。このビームスプリッタは、（ａ）照明ビーム通路の対象物側部分が光軸に対して平行に延びるように照明ビーム通路の向きを変えるか、または（ｂ）結像ビーム通路の画像側部分が光軸に対して角度を持って延びるように結像ビーム通路の向きを変える。

この関係において、傾斜した角度は、ビームスプリッタが光軸に対して０°に等しくなくかつ９０°に等しくない角度に配置されていることを意味する。ビームスプリッタは、照明ビーム通路または結像ビーム通路が９０°の折れ曲がりを有するように、光軸に対して４５°の角度で傾斜させられているとよい。

請求項１８による本発明の他の実施態様によれば、照明光が光軸に対して平行に案内されている照明ビーム通路の少なくとも一部が、光軸を中心にして延びる結像ビーム通路の周りを取り巻くように形成されている。

照明ビーム通路は、横断面において光軸に対して環対称に配置されている、すなわち、光軸もしくは結像ビーム通路の周りに同軸に配置されているとよい。これは、光軸に対して同軸の照明ビームが、同様に光軸に対して対称に構成されている光偏向要素に当たることを意味する。光偏向要素としては、例えば中心孔を有する上記の屈折式の光偏向要素が適している。

ここで指摘しておくに、照明ビーム通路および結像ビーム通路が部分的に同軸に延びてしてもよい。なぜならば、三角測量原理に基づく３Ｄ測定にとって、三角測量角度が存在するように、対象物側において、すなわち測定すべき照明線の近くにおいて、照明ビーム通路と結像ビーム通路とが空間的に分離されているならば十分であるからである。照明ビーム通路と結像ビーム通路とを対象物側で分割することは、例えば適切なビームスプリッタによって、または空間的に分離された２つの部分端部に分岐させられている対象物側の端部を有する光ファイバによって行なうことができる。

請求項１９による本発明の他の実施態様によれば、光学式測定装置が、結像ビーム通路内に配置されている光案内装置を付加的に有し、光案内装置が照明線の２次元画像をカメラまで伝達するように構成されている。

光案内装置として、例えば内視鏡において使用されるような機械的に比較的硬い棒状レンズ装置が使用されるとよい。光案内装置として、屈折率が半径に依存して変化する傾斜レンズに基づく内視鏡検査システムも使用可能である。それにより光案内装置の内部において光ビームの曲がりを得ることができるので、結局、カメラが結像ビームを広い角度範囲から検出することができる。

更に、光案内装置のために、同様に機械的に非常に硬い光学装置であるいわゆるホプキンスレンズを使用することができる。ホプキンスレンズは、例えば、空気からなるレンズが挿入されている一種のカラス管であってよいので、内視鏡検査において特に微細な眺めが可能にされる。特別に微細な眺めの利点が、上記の光学式測定装置においても３Ｄ測定の特に高い精度および信頼性をもたらす。

光案内装置として、多数の個別の光導波路もしくはグラスファイバを含むいわゆる画像光導体も適している。画像光導体は、それがフレキシブルであるので、光学式測定装置が少なくとも部分的にフレキシブル構造様式にて実現可能であるという利点を持つ。これは、硬い測定装置が入り込めない曲がった空洞の場合にも正確な空洞測定を可能にする。

請求項２０よれば、同軸に扇形展開されて空間的に構造化された光線束の発生方法が開示されている。この方法は次のステップを有する。上記の光偏向要素に１次光線束が送出されることによって、１次光線束が光入口面において光偏向要素の基材に入射し、２次光線束として光出口面において基材から出射する。２次光線束は少なくとも１つの円錐面形状の光構造を有する。

上記の方法の基礎をなす認識は、上記の屈折式の光偏向要素の使用によって、公知の回折による光偏向要素の使用に比べて、特に簡単に２次光線束の広幅の扇形展開が実現可能であることにある。広幅の扇形展開は相応の円錐面が大きな開き角度を有することを意味する。

基材の光出口面が、異なって傾斜させられたほぼ円錐形の面を備えた複数の環状部分を有する場合には、扇形展開された光円錐の円錐先端が光軸上にある本当の起点に一致するとよい。この関係において、本当の起点は、照明構造が少なくともほぼ光軸上にある起点から出発することを意味する。

基材が、有利な実施態様に記載されているように、貫通口または中心孔を有する場合には、２次光線束が、光軸の周りに同軸に配置されている少なくとも１つの円環部分から出射する。この場合にも、円錐先端は、円錐面形状に展開された２次光線束の本当の起点として理解することができる。

図１Ａは本発明の実施例による光学式測定装置の横断面図を示す。 図１Ｂは測定すべき空洞の内壁に投射される照明線の４つの画像を有するカメラ画像を示す。 図１Ｃは図１Ａに示された光学式測定装置の対象物側の端部の正面図を示す。 図２は図１Ａに示された光学式測定装置の対象物側の端部に形成された三角測量角を決定する照明光ビーム通路および結像光ビーム通路の概略図を示す。 図３は個々の円錐面形状の光構造を屈折により発生させるシミュレーション図を示す。 図４Ａは２つの円錐形面を有する光偏向要素の斜視図を示す。 図４Ｂは図４Ａに示された光偏向要素のための構造図を示す。 図４Ｃは図４Ａに示された光偏向要素による２つの円錐面形状の光構造を屈折により発生させるシミュレーション図を示す。 図５は３つの円錐形面を有する光偏向要素によって発生させられる３つの円錐面形状の光構造を屈折により発生させるシミュレーション図を示す。 図６は光出口面の環状部分がそれぞれ凸状湾曲を有する光偏向要素の概略図を示す。 図７は光入口面がそれぞれ１つの凸状湾曲を備えた２つの湾曲させられた環状部分を有する光偏向要素の概略図を示す。

本発明の他の利点および特徴を、目下のところ好ましい実施形態の以下における模範的な説明から明らかにする。本願の図面における個々の図は概略的であって忠実な縮尺で描いたものではない。

ここで指摘しておくに、図面においては同じまたは互いに対応する構成要素の参照符号が最初の数字においてだけ異なる点に留意すべきである。

図１Ａは、本発明の実施例による光学式測定装置１００の横断面図を示す。光学式測定装置１００は光軸１１７に関して円筒対称形状を有する。

光学式測定装置１００は光源１１０を有し、光源１１０はここに示された実施例によればレーザダイオード１１０である。もちろん発光ダイオードのような他の光源も使用可能である。レーザダイオード１１０が、投射レンズ１１２に当たる単色の照明光１１１を放出し、投射レンズ１１２が照明ビーム１１１を広げる。広げられた照明ビーム１１１は光軸１１７に対して４５°の角度に向けられたビームスプリッタ１１３に当たるので、ビームスプリッタ１１３の反射能力に依存して照明光１１１の少なくとも一部が、光軸１１７に対して対称的に配置されている中空円筒１１５の中へ入射する。中空円筒１１５の中心部分への照明光１１１の入射を防ぐために、ビームスプリッタ１１３とレーザダイオード１１０との間に遮光要素１１４が配置されている。

ビームスプリッタ１１３によって向きを変えられた照明光は、中空円筒１１５によって照明ビーム通路１１６内に通される。照明ビーム通路１１６は光軸１１７に対して円筒対称に形成されている。光学式測定装置１００の対象物側の端部において照明光が光偏向要素１５０に当たる。光偏向要素１５０は、同様に円筒対称形状を有し、光軸１１７を中心に円筒対称に配置されている。ここに示されている実施例によれば、光偏向要素１５０は光屈折要素であり、これを以下において図３、図４Ａおよび図４Ｂに基づいて更に詳しく説明する。

光偏向要素１５０は、光軸１１７に対して同軸に複数の照明構造１２２が生じるように、照明光を空間的に構造化する。照明構造１２２は、それぞれ円錐面１２２の形状を有し、測定すべき空洞１２５の内壁に投射される。図の見易さの理由から図１Ａには１つの照明構造１２２だけが示されている。

指摘しておくに、カメラ１４５とレーザダイオード１１０とは、ビームスプリッタ１１３の使用のもとで交換して配置してもよい。ビームスプリッタとしては、例えば、小さい楕円形の範囲内の中心において、レーザビームでなくて画像が照明ビーム通路１１６の中心で出射するように鏡面処理されている透過選択性のガラス板が使用されるとよい。

ここに示されている実施例によれば、測定すべき空洞は患者の耳道１２５である。耳道１２５は典型的には約４ｍｍの直径ｄを有する。

しかしながら、ここで指摘しておくに、測定装置１００は他の空洞の測定に使用可能である。測定装置１００は、例えば航空機組立時における特に確実なリベット結合のための正確にぴったりしたリベットを選択する前に、中ぐり穴の３次元形状を正確に測定するのに使用することができる。

空洞１２５の内壁への照明構造１２２の投射は、空洞１２５の大きさおよび形状に依存した形状を有する閉じた照明線１２８を生じる。この照明線１２８の鮮明度は内壁への照明構造１２２の集光に依存する。この理由から、測定すべき空洞のほぼ予想される大きさにおいて空洞内壁に鮮明な照明線１２８が発生されるように、投射レンズ１１２の焦点距離が調整されるとよい。

個々の照明線１２８の大きさおよび形状がカメラ１４５によって検出される。これは、照明線１２８から出る結像光１３０を介して行なわれる。この結像光１３０は、特別に短い焦点距離を有する結像レンズ１３２により集光される。結像レンズ１３２は、極めて広い撮影角度のゆえに魚眼レンズとも呼ばれる。

結像レンズ１３２によって集光された結像光１３０は、光案内装置１３５により光学式測定装置１００の画像側端部に案内される。ここに示されている実施例によれば、光案内装置は、例えば医療技術においても内視鏡検査装置に使用される棒状レンズ装置１３５である。当該棒状レンズの端面側でかつ空洞側の境界面が極めて強い湾曲を有することによって、第２の結像レンズが棒状レンズ装置１３５と一体形成されているとよい。

棒状レンズ装置１３５は複数の個別棒状レンズ１３５ａを有し、これらが一緒に、約５０ｍｍの長さｌを生じる。もちろん、棒状レンズ装置１３５は任意の異なる長さを有してもよい。棒状レンズ装置１３５はいわゆるホプキンスレンズ装置であってもよい。

したがって、棒状レンズ装置１３５は、光軸１１７に沿って光学式測定装置１００の両端まで延びる結像ビーム通路１３６を定める。結像ビーム通路１３６および照明ビーム通路１１６は、それぞれ光軸１１７に対して円筒対称に同軸に配置され、照明ビーム通路１１６は結像ビーム通路１３６の外側にある。

もちろん、結像ビーム通路が照明ビーム通路の外側を延びる光学式測定装置の構造形態も考えられ得る。いずれの場合にも、投射された照明線１２８を三角測量角度のもとで検出することができように、したがって空洞１２５の３Ｄ輪郭を決定することができるように、遅くとも、測定装置１００の対象物側の端部において照明光１２２と結像光１３０との空間的分離を行なわなければならない。三角測量角度は、照明が、すなわちここでは照明線１２８の発生が、観察、すなわちここではカメラ１４５に向けた照明線１２８の結像とは異なる角度で行なわれるとき、常に生じている。

棒状レンズ装置１３５内へ案内された結像光１３０はビームスプリッタ１１３に当たる。ビームスプリッタには、結像光１３０の少なくとも一部が、ただ或る平行ずれだけをもって通過する。この平行ずれは、ビームスプリッタ１１３の厚さと、ビームスプリッタ１１３の屈折率と、光軸１１７に対するビームスプリッタ１１３の相対的な角度位置とに依存する。結像光１３０の残りの部分はビームスプリッタで反射され、損失光として遮光要素１１４もしくはレーザダイオード１１０に当たる。

ビームスプリッタを通過した結像光１３０の部分は、結像レンズ１４２に当たり、結像レンズ１４２によってカメラ１４５上に結像される。その結果カメラ１４５がカメラ画像１４８を撮影する。カメラ画像１４８は空洞１２５の形状に依存して照明線１２８の画像１４９を示し、この画像１４９は、特にカメラ画像１４８の縁範囲において歪んでいる。図１Ｂはこの種のカメラ画像１４８を例として示し、このカメラ画像１４８内において、空洞１２５の内壁に投射された照明線１２８の全部で４つの画像１４９を認識することができる。カメラ１４５の後に接続された評価ユニット１４６において行なわれるこの歪の定量的解析に基づいて、空洞１２５の形状ならびに大きさを決定することができる。

図１Ｃは、光学式測定装置１００の対象物側の端部の正面図を示す。光偏向要素１５０によって取り囲まれている結像レンズ１３２を認識することができる。

図２は、光学式測定装置１００（ここでは参照符号２００を付されている。）の対象物側の端部に構成されている照明光２２２および結像光２３０のビーム通路が横断面図で示されている。図２に示された特定の照明線２２８については、光軸２１７に対して平均的な投射もしくは照明角βが生じる。

光偏向要素２５０は光軸２１７から平均半径距離ｒを有する。同様にして図示の照明線２２８についても光軸２１７に対して結像角αが生じる。その際に、光軸２１７の中心に配置された結像レンズ２３２によって結像光２３０が集光されることが考慮される。

三角測量角度θは、両角度α，βの差（θ＝α−β）から得られる。もちろん、図２から明らかなように、この三角測量角度θは長さ距離Δｌにも依存する。この長さ距離Δｌは光偏向要素２５０と結像レンズ２３２との間における光軸２１７に対して平行な距離から生じる。

図３は個々の円錐面形状の照明構造３２２を屈折により発生させるシミュレーションを示す。1次光線束３１１が光入口面３６０を通して光偏向要素３５０の基材３５２内へ入射する。光入口面３６０に対向する光出口面３７０は円錐形面３７１を有するので、基材内に円錐形の凹みが形成されている。光偏向要素３５０の光軸３１７に対して適切に傾斜させられた光境界面において、基材内へ入射した光線束が円錐面形状の照明構造３２２に広げられる。したがって、測定すべき空洞の図示されていない円筒状内面に照明線３２８が生じる。

図４Ａおよび図４Ｂは、２つの円錐形面、すなわち第１の環状部分に形成された第１の円錐形面４７１および第２の環状部分に形成された第２の円錐形面４７２を有する光偏向要素４５０を示す。図４Ａは光偏向要素４５０を斜視図で示し、図４Ｂは光偏向要素４５０の構造図を示す。

光偏向要素４５０は実質的に円筒状の基材４５２を有し、基材４５２内には貫通口４５４が形成されている。ここに示されている実施例によれば、基材４５２は３ｍｍの直径および３．６５ｍｍの長さを有する。孔として形成されている貫通口４５４は１．３ｍｍの直径を有する。もちろん、光偏向要素４５０を異なった寸法で実現することもできる。

端面側の光入口面４６０は、３０ｍｍの曲率半径を持ったかすかな凸状湾曲４６５を有する。したがって、この凸状湾曲４６５は、光入口面４６０に入射する１次光線束のために軽く集光する光境界面である。凸状に形成された入口境界面は、基材４５２の全体と同様に光軸４１７に対して回転対称形状を有する。

光入口面４６０に対向する光出口面４７０は、２つの円錐形面４７１，４７２によって決まる凹面輪郭を有する。図４Ｂから明らかのように、第２の円錐形面４７２は、光軸４１７に対して０．５１ｍｍの半径方向厚みを有する。更に、第２の円錐形面４７２の光境界面は光軸４１７に対して１０５°の角度で傾斜している。第１の円錐形面４７１は光軸４１７に対して１２０．０６°の角度で傾斜している。この場合にも、もちろん異なった寸法および／または角度が可能である。

図４Ｃは、光偏向要素４５０による２つの円錐面形の光構造を屈折により発生させるシミュレーションを示す。１次光線束４１１は光軸４１７に対して平行に光偏向要素４５０の基材４５２に向けられる。図４Ａおよび図４Ｂに示された貫通口４５４が，シミュレーションでは円状の遮光要素４５４ａによって考慮される。遮光要素４５４ａは光軸４１７に対して同軸に配置されている。

光入口面４６０の凸状湾曲４６５は、集光レンズ４６５ａによってシミュレーションされている。集光レンズ４６５ａは同様に光軸４１７に対して同軸に基材４５２のすぐ背後に配置されている。２つの円錐形面４７１，４７２が、第１の円錐面形状の光構造４２２ａおよび第２の円錐面形状の光構造４２２ｂを有する２次光線束４２２への１次光線束４１１の円筒対称な分割を生じさせる。

図５は、３つの円錐形面を有する光偏向要素５５０によって発生される３つの円錐面形の光構造５２２ａ，５２２ｂ，５２２ｃを屈折により発生させるシミュレーションを示す。図示のシミュレーションにおいては、１次光線束５１１は光軸５１７に対して平行に基材５５２に向けられる。貫通口が、光軸５１７に対して同軸に配置されている円形遮光要素５５４ａによってシミュレーションされる。

光偏向要素５５０の光入口面の凹状湾曲は、同様に光軸５１７に対して同軸にかつ基材５５２のすぐ背後に配置されている集光レンズ５６５ａによってシミュレーションされる。３つの円錐形面が、第１の円錐面形状の光構造５２２ａ、第２の円錐面形状の光構造５２２ｂおよび第３の円錐面形状の光構造５２２ｃを有する２次光線束５２２への１次光線束５１１の円筒対称な分割を生じさせる。

ここで指摘しておくに、図３、図４Ｃおよび図５において示されているシミュレーションでは、より良好な表示の理由から、形成される広げられた光円錐が半分までしか示されていない。シミュレーションにおいて表示の半分化はその都度のビーム通路内にある適切な矩形シャッターの使用によって行なわれた。

図６は本発明の他の実施例による光偏向要素６５０を示す。光偏向要素６５０は、今までに説明した光偏向要素と同様に、光軸６１７に対して回転対称に形成された中心孔６５４を備えた基材６５２を有する。光入口面６６０は平らな境界面を有する。光出口面６７０は、光軸６１７に対して対称に形成された２つの環状部分、すなわち第１の環状部分６７１および第２の環状部分６７２を有する。

ここで指摘しておくに、環状部分６７１，６７２はそれぞれ僅かな湾曲を有し、図６では湾曲が強く誇張されて示されている。大きな曲率半径のために、当該表面形状は依然としてほぼ円錐形の面と呼ぶことができる。実質的に円錐形の面６７１の湾曲は、実質的に円錐形の面６７２の湾曲に対して異なっていてよい。したがって、異なった軽く湾曲させられた円錐形面から出射する光ビームは個別に焦点合わせをすることができる。

図７は、本発明の特に有利な実施例による光偏向要素７５０を示す。光偏向要素７５０は、同様に光軸７１７に対して回転対称に形成された中心孔を備えた基材７５２を有する。図６に示された実施例と違って、光入口面７６０は、光軸７１７に対して対称的に形成された２つの環状部分、すなわち第１の環状部分７６１および第２の環状部分７６２を含む構造化された表面輪郭を有する。光出口面における環状部分７７１，７７２は、両円錐形面における更に別の湾曲は持っていない。

個々の環状部分７６１，７６２，７７１，７７２の半径は、光軸７１７に対して平行に入射する照明の場合に、第１の環状部分７６１が第１の環状部分７７１に対応し、第２の環状部分７６２が第２の環状部分７７２に対応するように互いに合わせられている。したがって、環状部分７６１，７６２の相応の湾曲によっても、異なる円錐形面７７１，７７２から出射する光線が個別に集光される。

図６および図７に示された両実施例は、光入口面においても光出口面においても環状部分がそれぞれ個別の湾曲を有するという趣旨でも、互いに組み合わせ可能であることを指摘しておく。

ここに説明した実施形態は、本発明の可能な構成変形例のうちの限られた選択を示しているにすぎないことを指摘しておく。例えば、個々の実施形態の特徴を適切に互いに組み合わせることができるので、専門家にとって、ここに明示した構成変形例と共に多数の異なる実施形態が明白に類推可能であるとみなされるべきである。

１００ 光学式測定装置
１１０ レーザダイオード
１１１ 照明光
１１２ 投射レンズ
１１３ ビームスプリッタ
１１４ 遮光装置
１１５ 中空円筒
１１６ 照明ビーム通路
１１７ 光軸
１２２ 照明構造
１２５ 空洞
１２８ 照明線
１３０ 結像光
１３２ 結像レンズ
１３５ 棒状レンズ装置
１３５ａ 個別棒状レンズ
１３６ 結像ビーム通路
１４２ 結像レンズ
１４５ カメラ
１４６ 評価ユニット
１４８ カメラ画像
１４９ 画像
１５０ 光偏向要素
２００ 光学式測定装置
２１７ 光軸
２２２ 照明光
２２５ 空洞
２２８ 照明線
２３０ 結像光
２３２ 結像レンズ
２３５ 棒状レンズ装置
２５０ 光偏向要素
３１１ １次光線束
３１７ 光軸
３２２ 照明構造
３２８ 照明線
３５０ 光偏向要素
３５２ 基材
３６０ 光入口面
３７０ 光出口面
３７１ 円錐形面
４１１ １次光線束
４２２ ２次光線束
４２２ａ 第１の円錐面形状の光構造
４２２ｂ 第２の円錐面形状の光構造
４５０ 光偏向要素
４５２ 基材
４５４ 貫通口
４６０ 光入口面
４６５ 凸状湾曲
４７０ 光出口面
４７１ 円錐形面
４７２ 円錐形面
５１１ １次光線束
５１７ 光軸
５２２ ２次光線束
５２２ａ 第１の円錐面形状の光構造
５２２ｂ 第２の円錐面形状の光構造
５２２ｃ 第３の円錐面形状の光構造
５５０ 光偏向要素
５５２ 基材
５５４ａ 円形遮光要素
５６５ａ 集光レンズ
６１７ 光軸
６５０ 光偏向要素
６５２ 基材
６５４ 中心孔
６６０ 光入口面
６７０ 光出口面
６７１ 第１の環状部分
６７２ 第２の環状部分
７１７ 光軸
７５０ 光偏向要素
７５２ 基材
７５４ 中心孔
７６０ 光入口面
７６１ 第１の環状部分
７６２ 第２の環状部分
７７０ 光出口面
７７１ 第１の環状部分
７７２ 第２の環状部分
ｄ 空洞直径
ｒ 光軸からの平均半径距離
α 結像角
β 投射角（照明角）
θ 三角測量角度
Δｌ 長さ距離

Claims (20)

1. 人間または動物の生体の耳道の少なくとも一部を３次元測定するための、光偏向要素（４５０）の光軸（４１７）に対して同軸に扇形に広げられて空間的に構造化された光線束（４２２）を屈折により発生させる光偏向要素であって、
   光偏向要素（４５０）が、少なくとも部分的に光透過性材料から作られた基材（４５２）を有し、その基材が光入口面（４６０）および光出口面（４７０）を有し、
   光入口面（４６０）は、基材（４５２）内に１次光線束（４１１）が入射可能であるように構成され、
   光出口面（４７０）は光偏向要素（４５０）の光軸（４１７）に関して円筒対称の輪郭を有し、その輪郭が基材（４５２）に凹みを定め、
   光偏向要素（４５０）が、空間的に構造化された光線束の光構造をこの光偏向要素（４５０）により耳道の内壁に集光可能なように形成されている光偏向要素。
2. 前記輪郭が第１の環状部分（４７１）を有し、第１の環状部分（４７１）が実質的に基材の内部に向けられた円錐の第１の円錐面の少なくとも一部分の形状を有し、
   第１の円錐面の円錐面線と光軸（４１７）とが第１の角度を形成している請求項１記載の光偏向要素。
3. 前記輪郭が、半径方向において第１の環状部分（４７１）の外側に配置されている第２の環状部分（４７２）を有し、第２の環状部分（４７２）が実質的に円錐台の第２の円錐面の形状を有し、
   第２の円錐面の円錐面線と光軸（４１７）とが前記第１の角度とは異なる第２の角度を形成している請求項２記載の光偏向要素。
4. 前記輪郭が、半径方向において第２の環状部分（４７２）の外側に配置されている少なくとも１つの第３の環状部分を有し、第３の環状部分が実質的に円錐台の第３の円錐面の形状を有し、
   第３の円錐面の円錐面線と光軸とが前記第２の角度と異なる第３角度を形成している請求項３記載の光偏向要素。
5. 前記第１の角度と直角との間の角度差は、前記第２の角度と直角との間の角度差よりも大きい請求項３又は４記載の光偏向要素。
6. 前記第１の角度と直角との間の角度差は、前記第２の角度と直角との間の角度差よりも小さい請求項３又は４記載の光偏向要素。
7. 第１の環状部分（４７１）が基材の内部に向けられた円錐の第１の円錐面の少なくとも一部分の形状を有し、
   第２の環状部分（４７２）が円錐台の第２の円錐面の形状を有し、および／または
   第３の環状部分が円錐台の第３の円錐面の形状を有する請求項４に記載の光偏向要素。
8. 第１の環状部分（６７１）、第２の環状部分（６７２）および第３の環状部分のうちの少なくとも１つの環状部分は湾曲した表面を有する請求項４に記載の光偏向要素。
9. 基材（４５２）が筒の外形を有する請求項１乃至８の１つに記載の光偏向要素。
10. 光入口面（４６０）が凸状湾曲（４６５）を有する請求項１乃至９の１つに記載の光偏向要素。
11. 光入口面（７６０）が、湾曲した第１の環状部分（７６１）と少なくとも１つの湾曲した第２の環状部分（７６２）とを有する請求項１乃至９の１つに記載の光偏向要素。
12. 基材（４５２）が、光軸（４１７）に対して同軸に延びた貫通口（４５４）を有する請求項１乃至１１の１つに記載の光偏向要素。
13. 前記貫通口（４５４）が、光軸（４１７）に対して同軸に配置された円筒の形状を有する中心孔（４５４）である請求項１２記載の光偏向要素。
14. 対象物内に形成されている空洞（１２５）の３次元測定、特に人間または動物の生体の耳道（１２５）の３次元測定のための光学式測定装置であって、
    光学式測定装置（１００）は、
    照明ビーム通路（１１６）に沿って照明光（１１１）を送出するように構成された光源（１１０）と、
    請求項１乃至１３の１つに記載の光偏向要素（１５０，４５０）とを有し、
    この光偏向要素（１５０，４５０）は、送出された照明光（１１１）を、空間的に次のように、すなわち光偏向要素（１５０，４５０）の光軸（１１７，４１７）の周りを取り巻きかつ空洞（１２５）の大きさおよび形状に応じた形状を有する少なくとも１つの照明線（１２８）が内壁に発生されるように構造化し、
    光学式測定装置（１００）は、さらに、少なくとも１つの照明線（１２８）を結像ビーム通路（１３６）を介して三角測量角度（θ）で検出するカメラ（１４５）を有する光学式測定装置。
15. カメラ（１４５）の後に接続されている評価ユニット（１４６）を有し、評価ユニット（１４６）は、カメラ（１４５）によって検出された少なくとも１つの照明線（１４９）の画像処理によって、空洞（１２５）の少なくとも一部の大きさおよび形状が自動的に決定可能であるように構成されている請求項１４記載の光学式測定装置。
16. 照明ビーム通路内に配置されている投射レンズ（１１２）を付加的に有する請求項１４又は１５記載の光学式測定装置。
17. 光偏向要素（１２０）の光軸（１１７）に傾斜角度で配置されたビームスプリッタ（１１３）を付加的に有し、ビームスプリッタ（１１３）は、
    照明ビーム通路（１１６）の対象物側部分が光軸（１１７）に対して平行に延びるように照明ビーム通路（１１６）の向きを変えるか、または
    結像ビーム通路の画像側部分が光軸に対して角度を持って延びるように結像ビーム通路の向きを変える請求項１４乃至１６の１つに記載の光学式測定装置。
18. 照明光（１１１）が光軸（１１７）に対して平行に案内されている照明ビーム通路（１１６）の少なくとも一部は、光軸（１１７）の中心に延びる結像ビーム通路（１３６）の周りを取り巻くように構成されている請求項１４乃至１７の１つに記載の光学式測定装置。
19. 結像ビーム通路（１３６）内に配置されている光案内装置（１３５）を付加的に有し、光案内装置（１３５）が照明線（１２８）の２次元画像（１４８）をカメラ（１４５）に伝達するように構成されている請求項１４乃至１８の１つに記載の光学式測定装置。
20. 同軸に扇形に広げられて空間的に構造化された光線束（４２２）の発生方法であって、
    請求項１乃至１３の１つに記載の光偏向要素（４５０）に１次光線束（４１１）が送出され、１次光線束（４１１）が光入口面（４６０）で光偏向要素（４５０）の基材（４５２）内に入射し、２次光線束（４２２）として光出口面（４７０）で基材（４５２）から出射し、２次光線束（４２２）が少なくとも１つの円錐面形状の光構造（４２２ａ，４２２ｂ）を有する、光線束の発生方法。
    
    

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