WO1999015930A1

WO1999015930A1 - Endoskop

Info

Publication number: WO1999015930A1
Application number: PCT/EP1998/005513
Authority: WO
Inventors: Hans-Günter Vosseler
Original assignee: Vosseler Erste Patentverwertungsgesellschaft Mbh
Priority date: 1997-09-25
Filing date: 1998-08-29
Publication date: 1999-04-01
Also published as: DE19742264A1; DE19742264C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Endoskop zur optischen dreidimensionalen Erfassung von Objekten, mit einer Aufnahme-Einrichtung (13) zur optischen Erfassung des Objekts, und einer Beleuchtungseinrichtung (45) zur Beleuchtung des Objekts. Die Vorrichtung umfaßt eine Mustererzeugungseinrichtung (17; 41, 43, 45, 47) zur Erzeugung eines optischen Musters, eine Umlenkeinrichtung (15) mit einer ersten (31a) der Aufnahmeeinrichtung (13) zugeordnete und einer zweiten (31b) der Mustererzeugungseinrichtung (17) zugeordneten Umlenkfläche, sowie ein längliches Gehäuse (9) mit einem optischen Fenster (37), in dessen Bereich die Umlenkeinrichtung (15) vorgesehen ist, wobei Aufnahmeeinrichtung (13), Umlenkeinrichtung (15) und Mustererzeugungseinrichtung (17) entlang der Längsachse (33) des Gehäuses (9) angeordnet sind.

Description

Endoskop

Die Erfindung betrifft ein Endoskop mit einem länglichen Gehäuse, das ein optisches Fenster aufweist, dem eine Umlenkeinrichtung zugeordnet ist, mit einer Aufhahmevorrichtung zur optischen Erfassung eines Objekts, und mit einer Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Objekts.

Im Bereich der industriellen Fertigung kommt mittlerweile der Qualität des Produkts und damit der Qualitätsprüfung während der Fertigung zunehmend größere Bedeutung zu. Die Sicherung, Optimierung und Dokumentation der Qualität der erzeugten Produkte setzt eine fortlaufende und vollständige Kontrolle des Fertigungsprozesses voraus. Hierzu bedient man sich optischer Prüfmethoden, bei denen Kameras den Fertigungsprozeß, d.h. die Produkte optisch erfassen. Mit Hilfe von Bildverarbeitungsprogrammen lassen sich die Daten der erfaßten Produkte mit abgespeicherten Referenzdaten vergleichen, um Abweichungen von der Norm zu erkennen.

Der Nachteil dieser Prüfmethoden liegt insbesondere darin, daß die berechneten Bilddaten keinen Aufschluß beispielsweise über den Oberflächenverlauf des erfaßten Produkts liefern können, da die Messung zweidimensional erfolgt. Diese zweidimensionale Qualitätsprüfung genügt jedoch sehr häufig nicht den geforderten Ansprüchen, so daß zusätzlich Personal zur Durchführung von Sichtprüfungen notwendig wird. Aufgrund des notwendigen Personaleinsatzes verschlechtert sich der Automatisierungsgrad und damit gleichermaßen die Kostenstruktur. Darüber hinaus müssen häufig Stellen an den Produkten geprüft werden, die nicht ohne weiteres von außen für das Personal zugänglich sind. Die Verwendung von Spiegeln, Faser-basierten Endoskopen oder ähnlichen optischen Instrumenten läßt zwar die Sichtprüfung unzugänglicher Stellen zu, allerdings ist die optische Qualität einer solchen Prüfung eingeschränkt, so daß kleine Beschädigungen, Risse etc. nicht erkannt werden. Insbesondere fehlen räumliche Informationen der untersuchten Stellen, wie sie bei einer Sichtprüfung vorliegen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Endoskop zu schaffen, das eine dreidimensionale Erfassung von Objekten bzw. Objekträumen auch an unzugänglichen Stellen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Endoskop gemäß der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Umlenkeinrichtung eine erste Umlenkfläche und eine zweite Umlenkfläche aufweist, daß eine Mustererzeugungseinrichtung zur Projektion eines optischen Musters über die zweite Umlenkfläche auf das Objekt vorgesehen ist, und daß die Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des vom Objekt reflektierten und von der zweiten Umlenkfläche umgelenkten Lichtes ausgebildet ist, wobei eine Auswerte-Einrich ung zur Bestimmung von dreidimensionalen Daten des Objektes aus dem aufgenommenen Licht anschließbar ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Mit dem erfmdungsgemäßen Endoskop wird es ermöglicht, mit Hilfe bestimmter bekannter optischer Verfahren, beispielsweise dem Phasenshift- Verfahren dreidimensionale Daten des Objektes zu bestimmen. Es ist ein Gehäuse mit einer sehr geringen Querschnittsfläche realisierbar, das auch eine Prüfung von schwer zugänglichen Stellen, beispielsweise Bohrungen in Gehäusen, ermöglicht. Durch die dreidimensionale Erfassung der Oberfläche des Objektes wird eine Prüfung mit hoher Qualität ermöglicht. Hierbei kann einerseits die Oberfläche des Objektes dreidimensional nachgebildet werden, um eine visuelle Beurteilung zu ermöglichen. Darüber hinaus können Abstandsmessungen und Dimensionsmessungen ausgef hrt werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest die Mustererzeugungseinrichtung oder die Umlenkeinrichtung verlagerbar angeordnet.

Die Verlagerbarkeit der Mustererzeugungseinrichtung hat den Vorteil, daß das sogenannte Phasenshift- Verfahren, bei dem mehrere Aufnahmen mit verschobenem Streifenmuster gemacht werden, angewendet werden kann.

In zusätzlicher Weiterbildung dieser Ausfuhrung ist ein Piezoantrieb zur Verlagerung der Mustererzeugungseinrichtung oder der Umlenkeinrichtung vorgesehen. Die Verwendung eines Piezoantriebs hat den Vorteil, daß mit hoher Präzision auch sehr kleine Verlagerungswege möglich werden, wie dies bei dem Phasenshift- Verfahren notwendig ist. Die komplizierte Anordnung von mechanischen Antrieben wird somit vermieden.

Die Verlagerbarkeit der Umlenkeinrichtung hat den Vorteil, daß sich jener Bereich, auf den das Muster projiziert wird, ausdehnen läßt, ohne die Vorrichtung selbst bewegen zu müssen.

Besonders flexibel läßt sich das System dann einsetzen, wenn die Umlenkflächen der Umlenkeinrichtung zusätzlich kippbar oder verschwenkbar angeordnet sind, wobei auch in diesem Fall ein Piezoantrieb zum Einsatz kommen kann.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Mustererzeugungseinrichtung ein optisches Gitter, vorzugsweise ein binäres Gitter, auf. Mit Hilfe eines Gitters, insbesondere eines binären Gitters, läßt sich ein Muster mit sinusförmigem Grauwertverlauf senkrecht zu den Linien erzeugen, was sich als vorteilhaft für die Bildauswertung herausgestellt hat.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Mustererzeugungseinrichtung eine Flüssigkristallzelleneinheit auf.

Mittels einer solchen Flüssigkristallzelleneinheit (LCD-Einheit) lassen sich in einfacher Art und Weise unterschiedliche Muster erzeugen.

Der Vorteil liegt somit darin, daß die Flexibilität und die Erfassungsqualität des erfindungsgemäßen Endoskops verbessert werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Beleuchtungseinrichtung eine Leuchtdiode, einen Reflektor und einen Kondensor auf.

Dies hat den Vorteil, daß bei geringem Energiebedarf ein hoher Beleuchtungsgrad erzielbar ist, wobei die Beleuchtungseinrichtung dennoch sehr klein baut.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Aufhahmeeinheit einen CCD-Sensor auf.

Dies hat den Vorteil, daß eine sehr kleine Baueinheit realisierbar ist, die in das Endoskop integriert werden kann, so daß Qualitätseinbußen, die etwa durch Kopplung mit einer außerhalb des Gehäuses angeordneten Kamera über Lichtwellenleiter auftreten, vermieden werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das optische Fenster als Ausnehmung in einer Gehäusewandung ausgebildet, wobei die Ausnehmung mit- tels einer lichtdurchlässigen Platte, vorzugsweise einer Glasscheibe, abgedeckt ist, die gegenüber der Gehäusewandung nach innen versetzt ist.

Hiermit erzielt man den Vorteil, daß einerseits die empfindliche Umlenkeinrichtung sowie die Optik und die Aufhahmeeinrichtung gegen ein Eindringen von Schmutzpartikeln geschützt werden. Andererseits wird durch die nach innen versetzte Anordnung verhindert, daß die lichtdurchlässige Platte, beispielsweise beim Einbringen der Vorrichtung in einen schwer zugänglichen Hohlraum, an Kanten verkratzt wird, was eine deutliche Beeinträchtigung der optischen Erfassung zur Folge hätte.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Gehäuse einen di- stalen Abschnitt und einen proximalen Abschnitt auf, die lösbar miteinander verbunden sind, wobei zwischen beiden Abschnitten Kontaktelemente zur elektrischen Verbindung vorgesehen sind, und wobei die Aufnahmeeinheit, die Umlenkeinrichtung, die Mustererzeugungseinrichtung und die Beleuchtungseinrichtung in Längsrichtung hintereinander im distalen Abschnitt aufgenommen sind.

Der zweiteilige Aufbau des Gehäuses hat den Vorteil, daß das Endoskop sehr einfach umgebaut werden kann, so daß die Flexibilität steigt.

Dabei ist der distale Abschnitt vorzugsweise starr ausgebildet.

Hierdurch wird ein sicherer Schutz der in distalen Abschnitten aufgenommenen empfindlichen Einrichtungen, nämlich der Aufnahmeeinheit, der Umlenkeinrichtung, der Mustererzeugungseinrichtung und der Beleuchtungseinrichtung, gewährleistet. Der proximale Abschnitt kann dagegen je nach gewünschtem Anwendungsfall flexibel oder starr ausgebildet sein. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuerungseinrichtung zur Verlagerung zumindest der Mustererzeugungseinrichtung oder der Umlenkeinrichtung nach einem ausgewählten Meßverfahren vorgesehen.

Dies hat den Vorteil, daß je nach Anwendungsfall das passende Verfahren eingesetzt werden kann, wobei die Handhabung sehr einfach bleibt.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung sind die Mustererzeugungseinrichtung und die zweite Umlenkfläche zu einer einzigen Einheit zusammengefaßt, die von einem Digital Mirror Device (DMD) mit einer Vielzahl von auf einem Halbleiterchip angeordneten Einzelspiegeln gebildet ist, wobei die Einzelspiegel jeweils durch Anlegen einer Steuerspannung verkippbar sind.

Durch diese Maßnahme wird der Aufbau des Endoskops erheblich vereinfacht, da die Funktion der Mustererzeugungseinrichtung und der zweiten Umlenkfläche von einer einzigen Einheit übernommen wird, die lediglich von einer Elektronik entsprechend angesteuert werden muß.

Somit können mechanische Einheiten zur Verschiebung entweder der Mustererzeugungseinrichtung oder der zweiten Umlenkfläche vollständig vermieden werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Flüssigkristalleinheit oder des Digital Mirror Device (DMD) zur Erzeugung eines Musters, das aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Mustern auswählbar ist, ausgebildet.

Hiermit erreicht man den Vorteil, daß speziell an das zu erfassende Objekt angepaßte Muster verwendbar sind, ohne Eingriffe an der Mustererzeugungseinrich- tung vornehmen zu müssen. Mithin ist eine Verbesserung der Erfassungsqualität möglich.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausfuhrungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2a - d unterschiedliche Aufnahmen eines auf das zu vermessende Objekt projizierten Streifenmusters,

Fig. 3 ein aus den aufgenommenen Streifenmustern gemäß Fig. 2 erstelltes Phasenbild, und

Fig. 4 eine dreidimensionale Flächendarstellung des aufgenommenen Objekts.

In Fig. 1 ist ein Endoskop, das zur optischen dreidimensionalen Erfassung von Objekten bzw. deren Oberflächen dient, insgesamt mit der Ziffer 2 bezeichnet. Das Endoskop 2 umfaßt ein längliches Gehäuse 9, das einen distalen Abschnitt 10 und einen proximalen Abschnitt 11 aufweist, die mittels eines Befestigungselements 7 lösbar miteinander verbunden sind. Im distalen Abschnitt 10 ist ein Sensorkopf 3 aufgenommen, während der proximale Abschnitt 11 als Griffteil 5 ausgebildet ist.

Der distale Abschnitt 10 des Gehäuses 9 ist rohrförmig ausgebildet, mit einem vorzugsweise viereckigen oder kreisrunden Querschnitt. Der distale Abschnitt 10 des Gehäuses 9 ist starr ausgebildet und vorzugsweise aus Metall gefertigt.

Der proximale Abschnitt 11 des Gehäuses 9, der als Griffteil 5 ausgebildet ist, weist einen dem distalen Abschnitt angepaßten Querschnitt auf, wobei die Querschnittsflächen nicht notwendigerweise übereinstimmen müssen. Der proximale Abschnitt 11, der das Griffteil 5 bildet, ist je nach Anwendungsfall starr oder flexibel und biegsam in Form eines Schlauchs ausgebildet.

Der distale Abschnitt 10 nimmt eine Aufhahmeeinheit 13, eine Umlenkeinrichtung 15 sowie eine Projektionseinrichtung 17 auf. Die Aufhahmeinheit 13 ist im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel am proximalen Ende 19 des Sensorkopfs 3 angeordnet, während die Projektionseinrichtung 17 am gegenüberliegenden distalen Ende 21 liegt. Zwischen der Aufnahmeeinheit 13 und der Projektionseinrichtung 17 ist die Umlenkeinrichtung 15 vorgesehen.

Die Aufhahmeeinheit 13 weist ein Objektiv 23 und einen Lichtsensor 25 in Form eines CCD-Sensors auf. Das Objektiv 23 und der CCD-Sensor 25 liegen innerhalb des distalen Abschnittes 10 in Längsrichtung gesehen hintereinander, wobei das Objektiv 23 der Umlenkeinrichtung 15 zugewandt ist.

Die Umlenkeinrichtung 15 weist zwei Spiegeleinheiten 27a und 27b auf, die auf einer Trägerplatte 29 angeordnet sind. Die Spiegeleinheit 27a weist eine ebene Spiegelfläche 31a auf, die in einem Winkel von 45° zu der Längsachse 33 des Sensorkopfs 3 liegt und dem Objektiv 23 zugewandt ist. Die Spiegeleinheit 27b weist ebenfalls eine ebene Spiegelfläche 31b auf, die mit der Längsachse 33 einen Winkel von 30° einschließt und der Projektionseinrichtung 17 zugewandt ist. Zumindest die Spiegeleinheit 27b ist mittels eines Antriebs in Längsrichtung verlagerbar. Als Antrieb wird vorzugsweise ein Piezoantrieb 79 verwendet, der beispielsweise an die Trägerplatte 29 gekoppelt sein könnte, die dann zweigeteilt mit einem festen, der Aufnahmeeinheit 13 zugewandten Teil und einem beweglichen Teil zum Antrieb der Spiegeleinheit 27b ausgebildet ist.

In einem den beiden Spiegelflächen 31a, 31b zugewandten Längsabschnitt 35 des distalen Abschnittes 10 des Gehäuses 9 ist ein optisches Fenster 37 vorgesehen. Dieses optische Fenster 37 ist als Durchbruch in der Wandung des Gehäuses 9 ausgebildet, wobei ein lichtdurchlässiges Element 39 die Ausnehmung abdeckt. Fig. 1 läßt deutlich erkennen, daß das lichtdurchlässige Element gegenüber der Wandung des Gehäuses nach innen, d.h. zur Längsachse 33 hin versetzt angeordnet ist. Bei dem lichtdurchlässigen Element handelt es sich vorzugsweise um eine Glasplatte, die an die Form des Gehäuses angepaßt ist. Das optische Fenster 37 wird so groß gewählt, daß es im gesamten Projektionsbereich der beiden Spiegelflächen 31a, 31b liegt.

Die Projektionseinrichtung 17 umfaßt eine aus zumindest einer optischen Linse bestehende Optik 41, die mittels einer Halterung 42 beabstandet zu der Innenwandung des Gehäuses 9 symmetrisch zur Längsachse 33 gehalten wird. Des weiteren umfaßt die Projektionseinrichtung 17 ein senkrecht zur Längsachse 33 angeordnetes optisches Gitter sowie eine Beleuchtungseinheit 45. Optik 41, optisches Gitter 43 und Beleuchtungseinheit 45 sind in Längsrichtung gesehen hintereinander angeordnet, wobei die Optik 41 der Umlenkeinrichtung 15 und dort der zweiten Spiegeleinheit 27b zugewandt ist. Die Beleuchtungseinheit 45 weist eine LED, vorzugsweise eine Power-LED 47, einen Kondensor 49 sowie einen Reflektor 51 auf. Der Reflektor 51 dient gleichzeitig als Halterung für die Power-LED 47 und den Kondensor 49, wobei beide Elemente symmetrisch zur Längsachse 33 gehalten sind. Die reflektierende Fläche des Reflektors 51 ist zu der Umlenkeinrichtung 15 ausgerichtet, so daß die von der Power-LED ausgehende Strahlung im wesentlichen in Richtung der Spiegeleinheit 27b verläuft.

Das optische Gitter 43 weist ein binäres Streifenmuster mit einem Gitterabstand d auf. Dieses binäre Gitter ist senkrecht zur Längsachse 33 vorzugsweise mittels eines Piezoantriebs schrittweise verlagerbar, wobei die Schrittweite einem Bruchteil des Gitterabstands d, beispielsweise einem Viertel (d/4) entspricht.

Das optische Gitter 43 kann in einer bevorzugten Ausfuhrungsform als LCD- Einheit ausgebildet sein. Mit einer solchen LCD-Einheit lassen sich die unterschiedlichsten Muster, d.h. neben binären Streifenmustern auch kreisförmige oder andersförmige Muster erzeugen. Die Verschiebung senkrecht zur Längsachse 33 des Musters läßt sich bei einer LCD-Einheit ohne Verlagerung derselben erreichen, indem einfach ein neues Muster generiert wird, das um die gewünschte Schrittweite gegenüber dem vorhergehenden Muster verschoben ist.

Der distale Abschnitt 10 des rohrförmigen Gehäuses 9 des Sensorkopfs 3 ist an seinem dem Griffteil 5 abgewandten Ende 21 mittels eines Deckels 53 verschlossen, der vorzugsweise abnehmbar ist. Der Deckel 53 soll das Eindringen von Schmutz oder anderen zu einer Beschädigung der Projektionseinrichtung 17 führenden Körpern verhindern. Am gegenüberliegenden proximalen Ende 19 des distalen Abschnitts 10 ist eine ebenfalls abnehmbare Abdeckung 55 vorgesehen. In diese Abdeckung 55 ist ein Kontaktelement 57 integriert, das eine Vielzahl von - in Fig. 1 nur schematisch dargestellten - weiblichen Kontakten 59 aufweist. Mit einzelnen dieser weiblichen Kontakte 59 sind die elektrischen Einheiten, d.h. die Aufhahmeeinheit 13, die Umlenkeinrichtung 15, das optische Gitter 43 sowie die Power-LED 47 über elektrische Leitungen 61 verbunden. Die elektrischen Leitungen 61 verlaufen innerhalb des Gehäuses 9 dicht an der Gehäusewandung. Sie dienen einerseits zur Versorgung der elektrischen Verbraucher mit Energie und andererseits zur Übertragung von Steuer- und Datensignalen.

An dem dem proximalen Ende 19 des Sensorkopfs 3 gegenüberliegenden distalen Ende 63 des Griffteils 5 ist ein Kontaktelement 65 vorgesehen, das eine Vielzahl von männlichen Kontakten 67 aufweist. An diesen Kontakten 67 sind elektrische Leitungen 69 angeschlossen, die durch das Griffteil 5 nach außen geführt sind. Selbstverständlich ist es auch denkbar, an dem proximalen Ende des Griffteils 5 ebenfalls ein Kontaktelement vorzusehen, so daß die elektrische Verbindung von außen über ein Steckkontaktelement erfolgen kann.

Die Leitungen 69 sind mit einer Steuereinheit 71 verbunden, die ihrerseits mittels einer Leitung 73 mit einer Bildverarbeitungseinheit 75 verbunden ist. An dieser Bildverarbeitungseinheit 75 ist ein Monitor 77 angeschlossen. Vorzugsweise sind Steuereinheit 71, Bildverarbeitungseinheit 75 und Monitor 77 in Form eines Computers zusammengefaßt.

Eine Verbindung der Leitung 69 im Griffteil 5 mit den Leitungen 61 im Sensorkopf 3 wird über die beiden Kontaktelemente 57, 65 erreicht, wenn Sensorkopf 3 und Griffteil 5 zusammengesteckt werden. Die Fixierung der beiden Teile 3, 5 erfolgt dann über das Befestigungselement 7.

Zur optischen Erfassung eines Objekts wird das Endoskop 2 wie folgt betrieben:

Zunächst wird das Endoskop 2 positioniert, wobei das optische Fenster 37 im Bereich der aufzunehmenden Fläche liegen muß. Mit Hilfe der Aufhahmeeinheit 13 ist über die Spiegelfläche 31a der Umlenkeinrichtung 15 der außerhalb des Gehäuses 9 liegende Bereich über den Monitor 77 darstellbar, so daß eine Positionierung erleichtert und des weiteren auch dann möglich ist, wenn der Benutzer keinen Sichtkontakt hat. Sofern das vorhandenen Licht nicht ausreicht, läßt sich beispielsweise über die Steuereinheit 71 die Power-LED 47 einschalten, die das von der Aufhahmeeinheit 13 erfaßte Gebiet über die Spiegelfläche 31b ausleuchtet. Sofern das optische Gitter 43 als LCD-Einheit ausgebildet ist, läßt sich die Projektion eines Streifenmusters vermeiden, so daß die Darstellung am Monitor 77 hiermit nicht beeinträchtigt wird. Über die Steuereinheit 71 ist die LCD- Einheit entsprechend ansteuerbar.

Ist die richtige Position erreicht, wird über die Steuereinheit 71 der optische Erfassungsvorgang gestartet. Dieser Meßvorgang hängt im wesentlichen von dem gewählten Meßverfahren ab, wobei im folgenden beispielhaft das Phasenshift- Verfahren benutzt wird. Grundsätzlich sind auch andere bekannte Verfahren zur Erstellung dreidimensionaler Messungen an Objekten verwendbar.

Beim Phasenshift- Verfahren wird auf das zu erfassende Objekt ein Streifenmuster projiziert, das einen sinusförmigen Lichtintensitätsverlauf senkrecht zu den projizierten Streifen aufweist. Das Streifenmuster wird mit Hilfe der Power-LED 47 und dem optischen Gitter 43 erzeugt, wobei die Spiegelfläche 31b das durch die Optik 41 gebündelte Licht zum Objekt hin ablenkt. Über die Steuereinheit 71 läßt sich die Spiegeleinheit 27b in Längsrichtung verlagern, so daß hiermit eine nachträgliche Feinpositionierung möglich ist, ohne das Endoskop 2 selbst zu bewegen.

Wie bereits erwähnt, ist das optische Gitter 43 entweder als binäres Gitter oder als LCD-Einheit ausgebildet. Im Falle des binären Gitters wird der sinusförmige Lichtintensitätsverlauf beispielsweise durch ein Tiefpaß-Filter oder durch ein "Unscharfstellen" der Optik 41 erreicht. Je nach Ausführungsform der LCD- Einheit ist mit dieser direkt ein sinusförmiger Lichtintensitätsverlauf zu erzielen. Die notwendigen Steuersignale zur Generierung des Musters in der LCD-Einheit liefert die Steuereinheit 71, die beispielsweise einen Speicher umfaßt, in dem unterschiedliche Muster abgelegt sind.

Das auf das Objekt projizierte Streifenmuster wird vom CCD-Sensor 25 über die Spiegelfläche 31a erfaßt und als elektrisches Signal über die Leitung 69 an die Steuereinheit 71 übertragen. Diese leitet das Bildsignal an die Bildverarbeitungseinheit 75 weiter, wo die entsprechenden Bildinformationen gespeichert werden. In Fig. 2a ist beispielsweise ein von der Aufhahmeeinheit 13 aufgenommenes Bild dargestellt. Deutlich zu erkennen ist der ungleichmäßige Verlauf des Streifenmusters, was auf unterschiedliche Tiefen, bzw. Höhen der Oberfläche schließen läßt.

Da mittels einer Aufnahme noch keine Berechnung eindeutiger Höhen- bzw. Tiefenwerte möglich ist, werden weitere Aufnahmen gemacht, wobei das Streifenmuster jeweils um einen bestimmten Wert senkrecht zur Streifenrichtung verschoben wird. Dieses Verschieben des Streifenmusters erfolgt entweder durch Verlagern des optischen Gitters 43 über den Piezoantrieb oder durch Verlagern der Spiegelfläche 31b, was ebenfalls über einen Piezoantrieb möglich ist. Der Wert der Verlagerungsstrecke entspricht dem Quotienten aus dem Gitterabstand π und der Anzahl der Aufnahmen. Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel werden insgesamt vier Aufnahmen gemacht, so daß die Verlagerungsstrecke π/4 beträgt.

Im Falle einer LCD-Einheit als optisches Gitter ist keine mechanische Verlagerung notwendig; vielmehr wird lediglich ein neues Streifenmuster erzeugt, das gegenüber dem vorhergehenden Streifenmuster um π/4 verschoben ist. Die Steuerung dieses Vorgangs erfolgt automatisch über die Steuereinheit 71.

In den Fig. 2b bis 2d sind die weiteren drei Aufnahmen mit jeweils verschobenem Streifenmuster dargestellt. Mit Hilfe von bestimmten Algorithmen, auf die an dieser Stelle nicht näher eingegangenen werden soll, da sie grundsätzlich bekannt sind, wird aus diesen vier Aufnahmen ein sogenanntes Phasenbild berechnet, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Bei einem solchen Phasenbild treten bei ebenen Flächen senkrecht zu den Linienstrukturen linear ansteigende oder abfallende Grauwertverläufe mit Unstetigkeits- stellen im Abstand der Ortfrequenz, d.h. des Gitterabstands der Linienstruktur, auf.

Dieses Phasenbild wird anschließend demoduliert. Darunter versteht man das Auffinden von Phasensprüngen und das Zusammensetzen der Grauwertverläufe des Phasenbildes zu einem kontinuierlichen, stetigen Ergebnisbild. Dieses Ergebnisbild entspricht dann einem schräg im Raum liegenden nicht kalibrierten hel- ligkeitscodierten Tiefenbild.

Dieses demodulierte Bild wird dann mit einem demodulierten Bild einer Referenzebene in Beziehung gesetzt und mit einem Skalierfaktor multipliziert. Als Ergebnis wird ein helligkeitscodiertes Tiefenbild des erfaßten Objekts erzielt. In dieser Darstellung sind Punkte, die in der gleichen Ebene liegen, mit dem gleichen Grauwert dargestellt.

Zur besseren Darstellung wird dieses helligkeitscodierte Tiefenbild in eine pseu- do-dreidimensionale Flächendarstellung umgesetzt und entsprechend Fig. 4 auf dem Monitor 77 angezeigt. Die vorgenannten Bildverarbeitungsschritte werden dabei vollständig von der Bildverarbeitungseinheit 75 ausgeführt.

Gemäß einer Variante der Erfindung sind das binäre Gitter und die zweite Umlenkfläche der Umlenkeinrichtung durch ein sogenanntes Digital Mirror Device (DMD) ersetzt. Ein solches DMD, das von Texas Instruments hergestellt und vertrieben wird, umfaßt eine Vielzahl von auf einem Halbleiterchip (SRAM-Chip) angeordneten

Einzelspiegeln, die jeweils durch Anlegen einer Steuerspannung in eine definierte

Kipplage verkippbar sind. Auf einem solchen DMD mit einer Fläche von 13 x 15 mm² sind beispielsweise 848 x 600 Speicherzellen vorgesehen, so daß sich etwa eine halbe Million beweglicher Spiegel auf dem DMD befindet. Die Spiegel sind individuell adressierbar, so daß sich bei einer geeigneten Ansteuerung beliebige gewünschte Muster erzeugen und in zeitlicher Folge verändern lassen.

Damit übernimmt das DMD die Funktion des binären Gitters und der zweiten Umlenkfläche bzw. die Funktion einer LCD-Einheit in Kombination mit der zweiten Umlenkfläche.

Im übrigen entspricht die Funktionsweise vollständig der zuvor beschriebenen Ausfuhrung. Das DMD könnte anstelle der zweiten Umlenkfläche 31b mit dem optischen Fenster 37 ausgerichtet angeordnet sein.

Das beschriebene Endoskop 2 ist in vielen technischen Gebieten einsetzbar, wobei es vornehmlich zur Prüfung von Oberflächen benutzt wird, die für den Benutzer nur schwer oder gar nicht direkt sichtbar sind. Insbesondere können mit dem beschriebenen Endoskop 2 Hohlräume untersucht werden.

Die Ausbildung und besondere Anordnung von Aufnahmeeinheit 13, Umlenkeinrichtung 15 und Projektionseinrichtung 17 läßt die Unterbringung in einem sehr kleinen rohrförmigen Gehäuse 9 (vorzugsweise mit einem Außendurchmesser von etwa 6-7 mm) zu. Darüber hinaus ergibt sich durch die Verlagerbarkeit der Umlenkeinrichtung 15 der Vorteil, daß beispielsweise auf einen aufwendigen Antrieb zur Verlagerung des optischen Gitters 43 verzichtet werden kann. Darüber hinaus läßt sich das Streifenmuster exakt auf der gewünschten Stelle positionieren. Mit Hilfe des Endoskops 2 lassen sich selbstverständlich auch Abstandsmessungen durchführen, die mittels des Triangulationsverfahrens berechnet werden können. Das beschriebene Phasenshift- Verfahren ist nur als Beispiel angegeben; selbstverständlich sind auch andere optische Meßverfahren einsetzbar. Es ist beispielsweise denkbar, das Objekt durch Bewegen des Endoskops aus unterschiedlichen Positionen aufzunehmen und aus diesen Aufnahmen ein dreidimensionales Bild zu berechnen. Eine Verlagerung des Gitters ist dann nicht notwendig. Insbesondere die Benutzung einer LCD-Einheit führt zu einem Endoskop 2, das mit unterschiedlichen optischen Meßverfahren betrieben werden kann.

Claims

Patentansprüche

1. Endoskop mit einem länglichen Gehäuse (9), das ein optisches Fenster (37) aufweist, dem eine Umlenkeinrichtung (15) zugeordnet ist, mit einer Aufnahmeeinrichtung (13) zur optischen Erfassung eines Objekts, und mit einer Beleuchtungseinrichtung (45) zur Beleuchtung des Objekts, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Umlenkeinrichtung (15) eine erste Umlenkfläche (31a) und eine zweite Umlenkfläche (31b) aufweist, daß eine Mustererzeugungseinrichtung (17; 41, 43, 45, 47) zur Projektion eines optischen Musters über die zweite Umlenkfläche (31a) auf das Objekt vorgesehen ist, und daß die Aufnahmeeinrichtung (13) zur Aufnahme des vom Objekt reflektierten und von der zweiten Umlenkfläche (31b) umgelenkten Lichtes ausgebildet ist, wobei eine Auswerte-Einrichtung (75) zur Bestimmung von dreidimensionalen Daten des Objektes aus dem aufgenommenen Licht anschließbar ist.

2. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Mustererzeugungseinrichtung (43) oder die Umlenkeinrichtung (15) im Gehäuse (9) verlagerbar angeordnet sind.

3. Endoskop nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Piezoantrieb (79) zur Verlagerung der Mustererzeugungseinrichtung (43) oder der Umlenkeinrichtung (15).

4. Endoskop nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mustererzeugungseinrichtung (43) ein optisches Streifengitter, vorzugsweise ein binäres Streifengitter umfaßt.

5. Endoskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mustererzeugungseinrichtung (43) eine Flüssigkristall-Einheit umfaßt, die die Darstellung verschiedener Muster zuläßt.

6. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (45) eine Leuchtdiode (47), einen Reflektor (51) und einen Kondensor (49) umfaßt.

7. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhahmeeinheit (13) einen CCD-Sensor (25) umfaßt.

8. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Fenster (37) in der Wandung des Gehäuses (9) ausgebildet ist, wobei die Ausnehmung mittels einer lichtdurchlässigen Platte (39), vorzugsweise einer Glasscheibe abgedeckt ist, die gegenüber der Gehäusewandung nach innen versetzt ist.

9. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (9) einen distalen Abschnitt (10) und einen proximalen Abschnitt (11) umfaßt, die lösbar miteinander verbunden sind, wobei zwischen beiden Abschnitten Kontaktelemente (57, 65) zur elektrischen Verbindung vorgesehen sind, und wobei die Aufhahmeeinheit (13), die Umlenkeinrichtung (15), die Mustererzeugungseinrichtung (43) und die Beleuchtungseinrichtung (45) in Längsrichtung hintereinander im distalen Abschnitt (10) aufgenommen sind.

10. Endoskop nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der distale Abschnitt (10) starr ausgebildet ist.

11. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerungseinrichtung (71) zur Verlagerung zumindest der Mustererzeugungseinrichtung (43) oder der Umlenkeinrichtung (15) nach einem ausgewählten Meßverfahren vorgesehen ist.

12. Endoskop nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mustererzeugungseinrichtung und die zweite Umlenkfläche von einem Digital Mirror Device (DMD) mit einer Vielzahl von auf einem Halbleiterchip angeordneten Einzelspiegeln gebildet sind, wobei die Einzelspiegel jeweils durch Anlegen einer Steuerspannung verkippbar sind.

13. Endoskop nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung (71) zur Ansteuerung der Flüssigkristall-Einheit (43) oder des Digital Mirror Device (DMD) zur Erzeugung eines Musters, das aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Mustern auswählbar ist, ausgebildet ist.