WO2008058882A1 - Vermessen eines hohlraums mittels zylindersymmetrischer triangulation - Google Patents

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WO2008058882A1
WO2008058882A1 PCT/EP2007/062021 EP2007062021W WO2008058882A1 WO 2008058882 A1 WO2008058882 A1 WO 2008058882A1 EP 2007062021 W EP2007062021 W EP 2007062021W WO 2008058882 A1 WO2008058882 A1 WO 2008058882A1
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measuring device
illumination
optical measuring
optical
longitudinal axis
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PCT/EP2007/062021
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Frank Forster
Claudio Laloni
Gerhard Röhrlein
Anton Schick
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • 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
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    • 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
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    • A61B5/107—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof
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    • A61B1/042—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 combined with photographic or television appliances characterised by a proximal camera, e.g. a CCD camera

Definitions

  • the present invention relates to an optical measuring device and a method for three-dimensionally measuring a cavity formed in an object.
  • the invention relates to such an optical measuring device and to such a method for the three-dimensional measurement of the auditory canal of a human or animal animal.
  • hearing aids For the production of accurately fitting hearing aids, it is necessary to precisely detect or measure the shape of the outer and inner auditory meatus of patients. With the help of corresponding three-dimensional data, hearing aids are modeled and adapted. This is the only way to ensure that the hearing aid can be worn in the ear without pressure or pain. In addition, it is functionally important that the gap between the ear and the hearing aid is as small as possible, otherwise this way noise reduces the effect of the hearing aid.
  • determining the shape data is relatively uncomfortable for the patient.
  • a plastic compound is injected and removed after curing again.
  • the resulting impression is sent to a laboratory.
  • the impression is again measured three-dimensionally.
  • the hearing aid is then manufactured by means of the obtained three-dimensional (3D) data.
  • the method of molding has the disadvantage that shrinkage processes of the plastic mass can not be avoided, since the patient can not be expected to endure the relatively unpleasant procedure of the mold-making over a longer period of time.
  • the method of the molding also has the disadvantage that the ear canal not directly, but only is indirectly measured by measuring the mold impression. This leads to inaccuracies in the hearing aids manufactured and thus to a correspondingly reduced wearing comfort.
  • EP 1 661 507 A1 a method for obtaining a three-dimensional image of the outer ear canal is known.
  • the outer ear canal is detected using a video camera and the acquired image data is transmitted to a service provider. This one leads with the data
  • Plausibility test and converts the data into geometric 3D data.
  • the converted data can be used to make customized hearing aids.
  • the cavity can be, for example, the external auditory canal of a patient.
  • an optical sensor is introduced into the ear canal.
  • video signals are recorded, which are transmitted to a computer.
  • the computer transforms the video signals into position data describing the interior wall of the cavity. In this way, the three-dimensional structure of the cavity is measured.
  • the invention has for its object to provide an optical measuring device and a method for three-dimensional measurement of a cavity formed in an object, which allow for a particularly fast and on the other a particularly accurate cavity measurement on the one hand.
  • Independent claim 1 describes an optical measuring device for three-dimensionally measuring a cavity formed in an object.
  • the optical measuring device is particularly suitable for the three-dimensional measurement of the auditory canal of a human or animal living being.
  • the optical measuring device described has (a) a light source adapted to emit illumination light along an illumination beam path, and (b) an optical deflection element which spatially structures the emitted illumination light such that a circumferential illumination line is generated on the inner wall at least around the longitudinal axis whose shape and / or position and / or extent depends on the size and shape of the cavity.
  • the described optical measuring device further comprises (c) a camera, which is connected via a
  • An imaging beam path which detects at least one illumination line at a triangulation angle.
  • the structuring of the illumination light can generate concentric to a longitudinal axis of the optical measuring device at least one illumination structure, which in each case has the shape of a conical jacket and which is projected onto the inner wall of the cavity.
  • Each lighting structure is assigned exactly one lighting line.
  • the above-mentioned optical measuring device is based on the finding 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 triangulation method modified according to the invention.
  • the shape of the at least one projection line is detected by a camera, which preferably receives a two-dimensional (2D) image of the projection ring or of the projection rings symmetrically to the longitudinal axis. Based on the deviations or distortions of the recorded projection form from symmetrical, to the longitudinal axis - A -
  • 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 virtually simultaneously a plurality of measuring points which are arranged around the longitudinal axis are measured automatically. This results in a significantly increased scanning speed overall.
  • 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.
  • projection rings are produced which are arranged or arranged concentrically with respect to the longitudinal axis.
  • distorted projection lines are obtained, which have a wavy shape with respect to the longitudinal axis.
  • adjacent projection lines in a first wall region of the inner wall, which is farther away from the longitudinal 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 projection lines are spaced further apart with increasing distance from the longitudinal axis.
  • Projection lines of an ideal circular shape as well Spacing adjacent projection lines provide information about the 3D contour of the cavity.
  • Lighting line provides 3D information regarding the size and shape of the cavity to be measured. Nevertheless, it is advantageous in particular for reasons of measuring speed 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 is aligned with the beam path of the illumination light, i. with the respective opening angle of the conical illumination structure, an angle different from 0 °. This angle is called the triangulation angle. The larger this triangulation angle, the higher the accuracy of the 3D position determination.
  • the triangulation angle is defined by the angle that these two directions span. The knowledge of the triangulation angle allows in a known manner the determination of the height or the determination of the lateral position of the light spot with respect to the longitudinal axis of the described optical measuring device.
  • the described illumination structures are conical surface areas that open outward from the longitudinal axis of the optical measuring device with different opening angles.
  • the cone tips can coincide in a virtual source point, wherein the source point lies on the longitudinal axis.
  • real swelling point means that all lighting structures at least approximately emanating from a source point located on the longitudinal axis. This is the case when the fanned-out illumination beam path coincides with the longitudinal axis in the region of the optical deflection element.
  • the illumination structures can also emerge from a circular ring which is arranged concentrically around the longitudinal axis. This is the case in particular when the optical axis of the imaging beam path is at least in
  • Partial areas coincides with the longitudinal axis and the illumination light is guided outside the longitudinal axis to the optical deflection element.
  • 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 longitudinal axis by means of a linear movement.
  • 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".
  • Suitable image processing methods can be, for example, those in which the composition of the sub-images mentioned above takes place on the basis of the comparison of features within these sub-images.
  • the composition of the sub-images mentioned above takes place on the basis of the comparison of features within these sub-images.
  • Partial images are recorded such that the image contents overlap at least partially, wherein the composition tion of the partial images is then performed by comparing the respective overlapping regions, in particular by comparing selected features within each overlapping regions.
  • no data relating to the spatial position of the optical measuring device within the cavity is used for assembling the partial images.
  • no data relating to the spatial position of parts of the optical measuring device, such as e.g. the optical deflection element, within the cavity is used for assembling the partial images.
  • the depth measuring range i. the area along the longitudinal axis in which the 3D measurement can be performed depends on the number and the angular spacing of the individual illumination structures with respect to the respective cone opening angles. The higher this number and the greater this angular distance, the greater the measuring range of the optical measuring device. The smaller the number of the illumination structures produced or the smaller the number of projected illumination lines, the more individual images must be combined with one another to measure a cavity.
  • the described optical measuring device also has the advantage that it can be realized within a small design.
  • at least one object-side end of the optical measuring device can also be introduced into comparatively small or thin cavities.
  • This creates the possibility that the optical measuring device as a mobile device For example, for measuring the ear canal of a human or animal being can be used. Such a direct scanning or scanning can penetrate deeper into the ear canal in comparison to impression molds and measure the auditory canal in three dimensions, also near the eardrum. This allows hearing aids to be shaped so that they can be positioned near the eardrum. In this way, the efficiency of such hearing aids is significantly increased.
  • the optical measuring device additionally has an evaluation unit, which is connected 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 directly 3D data of the measured cavity for further data processing can be provided as the output variable of the optical measuring device.
  • the optical deflection element has a cylinder-symmetrical shape with respect to the longitudinal axis. This has the advantage that a uniform intensity distribution is ensured along the outer circumference of each cone sheath.
  • the optical deflection element is an optically diffractive element and / or an optically refractive element. This enables a structuring of the illumination light in a simple manner.
  • illumination light can be generated for example by a laser, in particular by a laser diode or by a light-emitting diode.
  • the illumination light can also be generated by a spectrally broadband light source, so that the illumination structures projected onto the inner wall not only spatially but also spectrally, i. are structured in terms of their color. Also, the color structuring can be used to accurately determine the three-dimensional shape of the cavity to be measured.
  • the optical deflecting element is an optical grating having a substructure.
  • the optical deflection element can be a so-called Damman grating, which has a particularly advantageous substructure, so that the light intensity is selectively and, if appropriate, largely uniformly distributed to specific diffraction orders.
  • the available optical deflecting element can be a so-called Damman grating, which has a particularly advantageous substructure, so that the light intensity is selectively and, if appropriate, largely uniformly distributed to specific diffraction orders.
  • Light intensity are distributed to higher orders of diffraction, so that the least possible illumination light in low Beu- is directed, which run only at a small angle to the longitudinal axis.
  • the angle is relatively large, in which the illumination lines are projected onto the inner wall of the cavity to be measured with respect to the longitudinal axis of the described optical measuring device. This in turn has positive effects on the measurement accuracy of the optical measuring device.
  • optical grating in this context means that the lattice spacings are of the order of the wavelength or the wavelength spectrum of the illumination light.
  • the optical measuring device further comprises a projection optics, which is arranged in theaxesstrah- ling.
  • Focusing the illumination light can be achieved so that the illumination lines are as sharp as possible on the inner wall of the cavity to be measured and thus can be detected as sharp structures of the camera.
  • the optimum choice of the focal length of this optics thus depends on the fanning of the illuminating beam impinging on the optics, on the optical path length of the illuminating light between the optics and the optical deflecting element and on the optical path length between the optic deflecting 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 optical measuring device additionally has a beam splitter arranged at an oblique angle in the longitudinal axis, which deflects the illumination beam path such that an object-side section of the illumination beam path runs parallel to the longitudinal axis or which deflects the imaging beam path in such a way that an image-side portion of the imaging beam path is at an angle to the longitudinal 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 longitudinal axis.
  • the beam splitter is inclined at an angle of 45 ° to the longitudinal axis, so that the illumination beam path or the imaging beam path has a bend of 90 °.
  • the illumination beam path in which the illumination light is guided parallel to the longitudinal axis, is formed around the imaging beam path running centrally in the longitudinal axis.
  • the illumination beam path in a cross section perpendicular to the longitudinal axis can be circularly symmetrical, i. be arranged concentrically around the longitudinal axis or the imaging beam path around.
  • an illumination beam which is concentric with the longitudinal axis strikes the optical deflection element, which is likewise formed symmetrically with respect to the longitudinal axis.
  • an optical deflecting element for example, an annular grid is suitable.
  • the described measuring device can also be realized in other ways with respect to the relative spatial arrangement of the illumination beam path and the imaging beam path.
  • the imaging beam path can be formed around the illumination beam path running centrally in the longitudinal axis.
  • the illumination lines projected onto the inner wall of the cavity to be measured are detected by means of an annular aperture, which is preferably arranged concentrically to the longitudinal axis.
  • the imaging beam path can be realized in this case, for example, by means of correspondingly distributed around the longitudinal axis around optical waveguides, which allow in their entirety an image transmission.
  • the illumination beam path and the imaging beam path can also extend coaxially in part.
  • 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 the illumination beam path and the imaging beam path can be effected, for example, by means of suitable beam splitters or by an optical waveguide whose object-side end is split into two spatially separated divisional ends.
  • the optical measuring device additionally comprises a light-conducting device, which is arranged in the imaging beam path and which is set up for transmitting a two-dimensional image of the illumination lines towards 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 so-called Hopkins optics which is also a mechanically largely rigid optical arrangement.
  • a Hopkins optic may be a type of glass tube in which lenses are inserted from air, giving a particularly detailed insight in endoscopic examinations is possible. 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 can be realized in an at least partially flexible construction. This allows accurate cavity measurement even with curved cavities into which a rigid measuring device can not be inserted.
  • the optical measuring device in addition to an imaging optics, which is arranged on the object side in the imaging beam path.
  • the imaging optics preferably have a particularly short focal length, so that the illumination lines projected onto the inner wall can be detected by the camera at a large imaging angle with respect to the longitudinal axis. The spacing of adjacent illumination lines is thus particularly clearly visible.
  • An optic with such a short focal length is often referred to as "fish eye optics", with a very wide angle range can be detected.
  • object side is to be understood in this context that the imaging optics is close to the illumination lines to be detected.
  • the illumination lines represent the object to be detected in the described optical measuring device.
  • the triangulation angle is determined in particular by the distance of the imaging optics from the optical deflection element.
  • the relative positioning of the imaging optics to the optical deflection thus, as already explained above, the kung element determines the resolution of the described optical measuring device.
  • the optical measuring device additionally lent to a fixable mechanism, with which the optical measuring device is fixable to the object.
  • fixable mechanism allows a defined displacement of the optical measuring device, in particular along the longitudinal axis, it is thus possible to carry out a plurality of measurements, in which the optical measuring device is introduced at different depths into the cavity to be measured.
  • the optical measuring device is introduced at different depths into the cavity to be measured.
  • the optical measuring device can also be realized in a miniaturized design.
  • the optical measuring device including the camera and the light source may be so small that the entire optical measuring device for measuring an auditory canal can be inserted therein. This has the advantage that for the 3D measurement of the human auditory canal, which has a particularly strong curvature at one point, the ear canal does not have to be deformed or only insignificantly deformed.
  • the optical measuring device additionally has a marking, which can be detected by at least two external cameras.
  • a marking which can be detected by at least two external cameras.
  • At least two markings are present, so that both the position and the orientation of the optical measuring device can be determined by suitable photogrammetric algorithms of the images taken by the two cameras.
  • Independent claim 13 specifies a method for the three-dimensional measurement 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 method comprises the following steps: (a) introducing at least one object-side part of an above-mentioned optical measuring device into the cavity to be measured, (b) structuring the illumination light by means of the optical deflection element so that at the inner wall of the cavity at least one about the longitudinal axis (c) detecting the at least one illumination line by means of a camera, and (d) evaluating the distortion of the detected at least one illumination line.
  • the cited method is based on the finding that the projection of a cylindrically symmetrical structured illumination on the inner wall of the cavity to be measured enables a fast and at the same time precise cavity measurement, provided that the detection of the at least one generated illumination line takes place at a different triangulation angle from 0 °. From the distortion of the at least one illumination line in a two-dimensional image captured by the camera, both the size and the shape of the cavity can be measured.
  • the method additionally comprises the following steps: (a) shifting the optical measuring device, (b) re-structuring the illumination light by means of the optical deflection element so that at least one further illumination line running around the longitudinal axis is generated on the inner wall of the cavity, (c) detecting the at least one further illumination line the camera, and (d) evaluating the distortion of the detected at least one further illumination line.
  • an elongated cavity can be completely measured by a successive recording of several mutually shifted detection areas.
  • the optical measuring device can be repeated, in principle any number of times, to be shifted by a predetermined distance in each case. If adjacent detection areas have a certain overlap, identical structures of the ear can be detected, for example, in an auditory canal to be measured, and the corresponding images can be adjusted to one another by means of image processing. An auditory canal with a length of approximately 4 cm can thus be completely measured in 3D, depending on the size of the recorded partial volumes with 100 to 1000 partially overlapping individual measurements.
  • the optical measuring device is moved from an inner measuring position towards an outer measuring position.
  • the internal measuring position means that the corresponding detection range of the optical measuring device is further inside in the one to be measured
  • Cavity is located as the detection area, which is associated with the outer measuring position of the optical measuring device.
  • a measurement of the ear canal in which the optical measuring device is merely displaced outwards, has the advantage that the ear canal is deformed only in a small and also defined manner by a measuring head rubbing against the inner wall of the ear canal.
  • a slow withdrawal of the measuring head rubbing against the inner wall of the ear canal causes much smaller deformations of the measurement to be measured Ear canal.
  • the method additionally comprises the following step: introducing an elastic membrane having an optically detectable structure between the optical
  • the structure is preferably designed such that it can be easily recognized during the image evaluation of the images taken by the camera.
  • the structure may comprise a plurality of punctate marks.
  • the structure can also have different markings, so that a precise and in particular clear image composition is possible.
  • an optically structured membrane has the advantage that individual errors do not accumulate in a combined evaluation of different image sequences.
  • the structured membrane In conjunction with the three-dimensional measurement of an auditory canal, the structured membrane has the advantage that there are sufficiently recognizable structures for the image composition directly on the skin surface in the auditory canal.
  • the use of the described elastic membrane for auditory canal measurement also has the advantage that hygienic Requirements for auditory canal measurement are automatically met. This applies in any case if a new membrane is used for each auditory canal measurement.
  • the membrane has the advantage that disturbing effects of hair are largely eliminated.
  • the method additionally comprises the following step: inflating the introduced membrane.
  • inflating the introduced membrane This has the advantage that the structured membrane rests firmly against the inner wall of the cavity to be measured.
  • mechanically fitting hearing aids or earmolds can thus be produced for collapsed ear canals.
  • FIG. 1 a shows a cross-sectional view of a cylindrically symmetrical optical measuring device
  • FIG. 1 b shows a camera image which shows four images of corresponding illumination lines projected onto the inner wall of the cavity
  • FIG. 1c shows a front view of the object-side end of the optical measuring device shown in FIG. 1,
  • FIG. 1 d formed at the object-side end of the optical measuring device illustrated in FIG.
  • FIG. 2 a shows the diffraction rings produced by a ring grid having a substructure and projecting onto the inner wall of the cavity;
  • FIG. 2b shows a perspective partial sectional view of a cavity to be measured with the illumination lines projected onto the inner wall of the cavity.
  • 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 a longitudinal axis 117.
  • the optical measuring device 100 has a light source 110, which according to the embodiment shown here is a laser diode 110.
  • the 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 longitudinal axis 117, so that depending on the reflectivity of the beam splitter 113, at least part of the illumination light 111 is fed into a hollow cylinder 115, which tends to be symmetrical the longitudinal axis 117 is arranged.
  • an optical shading element 114 is arranged in order to prevent coupling of the illumination light 111 in the central part of the hollow cylinder 115 is between the beam splitter 113 and 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 longitudinal axis 117.
  • the illumination light strikes an optical deflection element 120, which also has a cylindrically symmetrical shape and is arranged cylindrically symmetric about the longitudinal axis 117 around.
  • the optical deflecting element 120 may be an optically diffractive element or an optically refractive element. According to the exemplary embodiment illustrated here, the optical deflection element is a ring grid 120.
  • the ring grid 120 has a substructure, so that the incident light intensity is preferably directed into higher diffraction orders.
  • the illumination light is spatially structured in such a way that concentric to the longitudinal axis 117, a plurality of illumination structures 122 are produced, which each have the shape of a conical jacket 122 and which are projected onto the inner wall of a cavity 125 to be measured.
  • a plurality of illumination structures 122 are produced, which each have the shape of a conical jacket 122 and which are projected onto the inner wall of a cavity 125 to be measured.
  • 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 drill holes 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 takes place via an imaging light 130 emanating from the illumination lines 128.
  • This imaging light 130 is collected by means of 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 135 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 have a length 1 of approximately 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 longitudinal 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 longitudinal axis 117, wherein the illumination beam path 116 is located outside of the imaging beam path 136.
  • the imaging beam path extends outside of 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, i.
  • 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 142 relative to the longitudinal 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
  • Camera image 148 in which a total of four images 149 can be seen from corresponding to the inner wall of the cavity 125 projected illumination lines 128.
  • the shape and the size of the cavity 125 can be determined.
  • FIG. 1 c shows a front view of the object-side end of the optical measuring apparatus 100.
  • the imaging optics 132 which is surrounded by the ring grid 120, can be seen.
  • FIG. 1 d shows, in a cross-sectional representation, the beam paths of the illumination light 122 and the imaging light 130 formed at the object-side end of the optical measuring device 100.
  • a middle projection results with respect to the longitudinal axis 117 - or illumination angle ß. It is assumed that the illumination light 122 emerges from the annular ring grid 120.
  • the ring grid 120 has a mean radial distance r from the longitudinal axis 117.
  • an imaging angle ⁇ results for the illustrated illumination line 128 with respect to the longitudinal axis 117. It is considered that the imaging light 130 from the center of the Longitudinal axis 117 arranged imaging optics 132 is collected.
  • this triangulation angle ⁇ also depends on the longitudinal distance ⁇ l. This longitudinal distance ⁇ l results from the distance parallel to the longitudinal axis 117 between the ring grid 120 and the imaging optics 132.
  • FIG. 2 a shows a ring grid 220 arranged at the end of a hollow cylinder 215.
  • an illumination beam 216 is displaced relative to the longitudinal axis 217, which is spatially structured by the ring grid 220 in a cylindrically symmetrical manner, so that cone-shaped illumination structures 222 are produced.
  • the illumination structures 222 are projected onto the inner wall of a cavity 225 and an auditory canal 225, respectively.
  • illumination lines 228, which rotate in a closed manner about the longitudinal axis 217, are produced.
  • the ring grid 220 has a substructure which is designed in such a way that the intensity of illumination light 216 incident on the ring grid 220 is selectively distributed to six largely equally intense diffraction orders.
  • the diffraction structures of lower order have no or only a negligible intensity.
  • the zeroth diffraction order is suppressed, which runs parallel to the longitudinal axis 217.
  • six lighting lines 228 are created on the inner wall of the cavity 225. The spatial measurement of these illumination lines 228 takes place in the same way as described above with reference to FIG. 1a.
  • FIG. 2 b shows a perspective, partial sectional view of a cavity 225 to be measured with which the inner wall of the cavity is to be measured Cavity 225 projected illumination lines 228.
  • the illuminating light generating the illumination lines 228 is designated by the reference numeral 222.
  • the ring grid is not shown for reasons of clarity.
  • the hollow cylinder 215 can be seen, in which the illumination light 216 is guided to the ring grid in a cylindrically symmetrical manner.
  • the illumination lines 228 are detected by the unillustrated camera using the second imaging optics 232 by collecting the corresponding imaging light 230 emitted from the illumination lines 228.
  • the beam paths of the illumination light starting from the laser diode used as the light source and the imaging light up to the camera run as described above with reference to FIG.
  • the image evaluation is done in a similar manner.
  • the optical measuring device can in principle be displaced as often as desired by a given distance in each case. If neighboring
  • Detection areas have a certain overlap, for example, can be detected in an ear canal to be measured same structures of the ear and the corresponding images are adjusted by means of image processing to each other.
  • a defined displacement of the optical measuring device can be realized in a simple manner by using a fixable mechanism 260, which can be fixed by means of fixing elements 261 to the object in which the cavity 225 to be measured is formed.
  • the fixable mechanism 260 then allows a defined movement 265, preferably along the longitudinal axis of the optical measuring device. direction.
  • the position of the optical measuring device relative to the object for example the head of a patient, can always be precisely determined by an unillustrated position measuring system and taken into account in the evaluation of the images taken by the camera.
  • the position of the optical measuring device can also be determined by means of the optical detection of a marking 270a based on the principle of triangulation.
  • the marking 270a is detected by two cameras arranged at an angle to each other, a first camera 272a and a second camera 272b.
  • the spatial position of the marking 270a can be determined precisely.
  • the optical measuring device can also be provided with a second marking 272b.
  • a second marking 272b By suitable photogrammetric algorithms of the images taken by the two cameras 270a, 270b, both the position and the orientation of the optical measuring device can be determined.

Abstract

Es wird eine optische Messvorrichtung (100) zum dreidimensio- nalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums (125) beschrieben. Die optische Messvorrichtung (100) weist auf eine Lichtquelle (110), eingerichtet zum Aussenden von Beleuchtungslicht (111) entlang eines Beleuchtungsstrahlen- gangs (116) und ein optisches Ablenkungselement (120), welches das ausgesendete Beleuchtungslicht (111) räumlich derart strukturiert, dass an der Innenwand eine um die Längsachse (117) umlaufende Beleuchtungslinie (128), deren Form von der Größe und der Form des Hohlraums (125) abhängt. Die optische Messvorrichtung (100) weist ferner eine Kamera (145) auf, welche über einen Abbildungsstrahlengang (136) die zumindest eine Beleuchtungslinie (128) unter einem Triangulationswinkel (0) erfasst. Durch eine geeignete Bildauswertung der von der Kamera erfassten Form und Größe der zumindest einen Beleuchtungslinie (128) kann die dreidimensionale Form des Hohlraums (125) bestimmt werden.

Description

Beschreibung
Vermessen eines Hohlraums mittels zylindersymmetrischer Triangulation
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung sowie ein Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums. Die Erfindung betrifft insbesondere eine derartige optische Messvorrichtung sowie ein derartiges Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen des Gehörgangs eines menschlichen oder eines tierischen Lebewesens .
Für die Herstellung von passgenauen Hörgeräten ist es erfor- derlich, die Form des äußeren und des inneren Gehörganges von Patienten präzise zu erfassen bzw. zu vermessen. Mit Hilfe von entsprechenden dreidimensionalen Daten werden Hörgeräte modelliert und angepasst. Nur dadurch ist es gewährleistet, dass das Hörgerät druck- und schmerzfrei im Ohr getragen werden kann. Darüber hinaus ist es funktional von Bedeutung, dass der Spalt zwischen dem Ohr und dem Hörgerät möglichst gering ist, da ansonsten über diesen Weg Nebengeräusche die Wirkung des Hörgerätes verringern.
Gegenwärtig ist die Ermittlung der Formdaten für den Patienten relativ unangenehm. In das Ohr wird eine Kunststoffmasse eingespritzt und nach dem Aushärten wieder entfernt. Der dabei gewonnene Formabdruck wird in ein Labor verschickt. Im Labor wird der Abdruck wiederum dreidimensional vermessen. Mittels der gewonnenen dreidimensionalen (3D) Daten wird dann das Hörgerät hergestellt. Die Methode des Formabdrucks hat jedoch den Nachteil, dass Schrumpfungsvorgänge der Kunststoffmasse nicht vermieden werden können, da dem Patienten nicht zugemutet werden kann, die relativ unangenehme Prozedur der Formabdruckherstellung über eine längere Zeitspanne zu ertragen. Die Methode des Formabdrucks hat ferner den Nachteil, dass der Ohrkanal nicht direkt, sondern lediglich indirekt durch eine Vermessung des Formabdrucks vermessen wird. Dies führt zu Ungenauigkeiten bei den hergestellten Hörgeräten und damit zu einem entsprechend reduzierten Tragekomfort .
Aus der EP 1 661 507 Al ist ein Verfahren zum Erlangen eines dreidimensionalen Bildes des äußeren Ohrkanals bekannt. Dabei wird der äußere Ohrkanal unter Verwendung einer Videokamera erfasst und die gewonnenen Bilddaten an einen Dienstleis- tungsanbieter übertragen. Dieser führt mit den Daten einen
Plausibilitätstest durch und konvertiert die Daten in geometrische 3D Daten. Die konvertierten Daten können zur Herstellung von angepassten Hörgeräten verwendet werden.
Aus der US 6,751,494 B2 ist ein Verfahren zum Rekonstruieren der Geometrie einer Innenwand eines Hohlraums bekannt. Der Hohlraum kann beispielsweise der äußere Gehörgang eines Patienten sein. Bei dem beschriebenen Verfahren wird ein optischer Sensor in den Gehörgang eingeführt. Gleichzeitig werden dabei Videosignale aufgenommen, die an einen Rechner übertragen werden. Der Rechner transformiert die Videosignale in Positionsdaten, welche die Innenwand des Hohlraums beschreiben. Auf diese Weise wird die dreidimensionale Struktur des Hohlraums vermessen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Messvorrichtung sowie ein Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums anzugeben, welche zum einen eine besonders schnelle und zum anderen eine besonders genaue Hohlraum-Vermessung ermöglichen .
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 eine optische Messvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums beschrieben. Die optische Messvorrichtung eignet sich insbesondere zum dreidimen- sionalen Vermessen des Gehörgangs eines menschlichen oder tierischen Lebewesens. Die beschriebene optische Messvorrichtung weist auf (a) eine Lichtquelle, eingerichtet zum Aussenden von Beleuchtungslicht entlang eines Beleuchtungsstrahlengangs, und (b) ein optisches Ablenkungselement, welches das ausgesendete Beleuchtungslicht räumlich derart strukturiert, dass an der Innenwand eine um die Längsachse zumindest eine umlaufende Beleuchtungslinie erzeugt wird, deren Form und/oder Lage und/oder Ausdehnung von der Größe und der Form des Hohlraums abhängt. Die beschriebene optische Messvorrich- tung weist ferner auf (c) eine Kamera, welche über einen
Abbildungsstrahlengang die zumindest eine Beleuchtungslinie unter einem Triangulationswinkel erfasst.
Die Strukturierung des Beleuchtungslichts kann konzentrisch zu einer Längsachse der optischen Messvorrichtung zumindest eine Beleuchtungsstruktur erzeugen, die jeweils die Form eines Kegelmantels aufweist und die auf die Innenwand des Hohlraums projizierbar ist. Dabei ist jeder Beleuchtungsstruktur genau eine Beleuchtungslinie zugeordnet.
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 erfindungsgemäß modifizierten Triangulationsverfahrens eine dreidimensionale (3D) Vermessung des Hohlraums realisiert werden kann. Dabei wird die Form der zumindest einen Projektionslinie von einer Kamera erfasst, die bevorzugt symmetrisch zu der Längsachse ein zweidimensionales (2D) Bild von den dem Projektionsring oder von den Projektionsringen aufnimmt. Anhand der Abweichungen bzw. Verzerrungen der erfassten Projektionsform von symmetrischen, zu der Längsach- - A -
se 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 Längsachse 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 Längsachse der optischen Messvorrichtung herum erstreckt, ergeben sich Projektionsringe, die konzentrisch zu der Längsachse ausgebildet bzw. angeordnet sind. Bei einem zylinderförmigen Hohlraum, der sich um eine Zylinderachse herum erstreckt, die relativ zu der Längsachse der optischen Mess- Vorrichtung einen Parallelversatz aufweist, ergeben sich verzogene Projektionslinien, die in Bezug auf die Längsachse eine wellenförmige Form aufweisen. Dabei sind benachbarte Projektionslinien in einem ersten Wandbereich der Innenwand, der weiter von der Längsachse entfernt ist als ein zweiter Wandbereich, weiter voneinander beabstandet. Dies liegt daran, dass aufgrund der kegelförmigen Auffächerung der einzelnen Beleuchtungsstrukturen benachbarte Projektionslinien mit zunehmendem Abstand von der Längsachse weiter voneinander beabstandet sind. Somit wird deutlich, dass sowohl die Abweichung der 3D Form der von der Kamera erfassten
Projektionslinien von einer idealen Kreisform als auch die Beabstandung benachbarten Projektionslinien 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 ergibt. Trotzdem ist es insbesondere aus Gründen der Messgeschwindigkeit 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.
Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass ein bei einer bestimmten Beleuchtungsrichtung erzeugter Lichtfleck aus einer anderen Richtung beobachtet wird. Der Triangulationswinkel ist durch den Winkel definiert, den diese beiden Richtungen aufspannen. Die Kenntnis des Triangulationswinkels erlaubt in bekannter Weise die Bestimmung der Höhe bzw. die Bestimmung der lateralen Position des Lichtflecks in Bezug auf die Längsachse der beschriebenen optischen Messvorrichtung.
Es wird darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Beleuchtungsstrukturen Kegelmantelflächen sind, die sich ausgehend von der Längsachse der optischen Messvorrichtung mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln nach außen öffnen. Dabei können die Kegelspitzen in einem virtuellen Quellpunkt zusammenfallen, wobei der Quellpunkt auf der Längsachse liegt. In diesem Zusammenhang bedeutet reeller Quellpunkt, dass alle Beleuch- tungsstrukturen zumindest annähernd von einem auf der Längsachse befindlichen Quellpunkt ausgehen. Dies ist dann der Fall, wenn der aufgefächerte Beleuchtungsstrahlengang im Bereich des optischen Ablenkungselements mit der Längsachse zusammenfällt.
Die Beleuchtungsstrukturen können jedoch auch aus einem Kreisring austreten, der konzentrisch um die Längsachse angeordnet ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die optische Achse des Abbildungsstrahlengangs zumindest in
Teilbereichen mit der Längsachse zusammenfällt und das Beleuchtungslicht außerhalb der Längsachse zu dem optischen Ablenkungselement hingeführt wird.
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 mittels einer linearen Bewegung bevorzugt entlang der Längsachse 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.
Geeignete Bildverarbeitungsmethoden können beispielsweise solche sein, bei welchen die Zusammensetzung der oben genannten Teilbilder aufgrund des Vergleichs von Merkmalen inner- halb dieser Teilbilder erfolgt. Insbesondere können die
Teilbilder derart aufgenommen werden, dass die Bildinhalte sich zumindest teilweise überlappen, wobei die Zusammenset- zung der Teilbilder dann durch Vergleich der jeweiligen sich überlappenden Bereiche erfolgt, insbesondere durch den Vergleich ausgewählter Merkmale innerhalb der sich jeweils überlappenden Bereiche.
Insbesondere kann weiterhin, z.B. im Zusammenhang mit der vorstehend genannten Methode des Zusammensetzens der Teilbilder, vorgesehen sein, dass für das Zusammensetzen der Teilbilder keine Daten bezüglich der räumlichen Position der optischen Messvorrichtung innerhalb des Hohlraums verwendet werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass für das Zusammensetzen der Teilbilder keine Daten bezüglich der räumlichen Position von Teilen der optischen Messvorrichtung, wie z.B. dem optischen Ablenkungselement, innerhalb des Hohlraums verwendet werden. Ein solches Verfahren hat den Vorteil, dass die in der Regel aufwändige Erfassung der räumlichen Lage der Messvorrichtung oder Teilen davon nicht notwendig ist und unter Umständen ganz entfallen kann.
Der Tiefenmessbereich, d.h. der Bereich entlang der Längsachse, in dem die 3D Vermessung durchgeführt werden kann, hängt von der Anzahl und dem Winkelabstand der einzelnen Beleuchtungsstrukturen in Bezug auf die jeweiligen Kegel- Öffnungswinkel ab. Je höher diese Anzahl und je größer dieser Winkelabstand ist, desto größer ist auch der Messbereich der optischen Messvorrichtung. Je geringer die Anzahl der erzeugten Beleuchtungsstrukturen bzw. je geringer die Anzahl der projizierten Beleuchtungslinien ist, desto mehr Einzelaufnahmen müssen zur Vermessung eines Hohlraums miteinander kombi- niert werden.
Die beschriebene optische Messvorrichtung hat ferner den Vorteil, dass sie innerhalb einer kleinen Bauform realisiert werden kann. Somit kann zumindest ein objektseitiges Ende der optischen Messvorrichtung auch in vergleichsweise kleine bzw. dünne Hohlräume eingeführt werden. Dies schafft die Möglichkeit, dass die optische Messvorrichtung als mobiles Gerät beispielsweise zur Vermessung des Ohrkanals eines menschlichen oder tierischen Lebewesens eingesetzt werden kann. Durch ein derartiges direktes Scannen bzw. Abtasten kann man in Vergleich zu Abdruckformen tiefer in den Gehörgang eindringen und den Gehörgang auch in der Nähe des Trommelfells dreidimensional vermessen. Dadurch können Hörgeräte so ausgeformt werden, dass sie in der Nähe des Trommelfells positioniert werden können. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad derartiger Hörgeräte erheblich erhöht.
Insbesondere in Verbindung mit der Vermessung des menschlichen Ohrkanals ergeben sich weitere Vorteile der beschriebenen optischen Messvorrichtung. So wird beispielsweise durch das direkte 3D Scannen der für einen Patienten typischerweise sehr unangenehme Formabdruck vermieden. Ferner sind die durch das direkte 3D Scannen erhaltenen 3D Daten im Vergleich zu der 3D Vermessung eines Formabdrucks deutlich präziser, da eine üblicherweise auftretende Schrumpfung einer Formabdruckmasse auf die Genauigkeit der direkten 3D Messung nicht relevant ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 2 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 Hohlraum zur weiteren Datenverarbeitung bereit gestellt werden können.
In Verbindung mit der Vermessung des menschlichen Ohrkanals hat das beschriebene 3D Scannen und die automatische Auswertung den Vorteil, dass die gewonnenen 3D Daten direkt, d. h. insbesondere elektronisch, an Speziallaboratorien zur Herstellung eines optimal angepassten Hörgerätes geschickt werden können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 3 weist das optische Ablenkungselement eine in Bezug auf die Längsachse zylindersymmetrische Form aufweist. Dies hat den Vorteil, dass entlang des Außenumfangs eines jeden Kegelmantels eine gleichmäßige Intensitätsverteilung gewähr- leistet ist.
Gemäß Anspruch 4 ist das optische Ablenkungselement ein optisch diffraktives Element und/oder ein optisch refraktives Element. Dies ermöglicht auf einfache Weise eine Strukturie- rung des Beleuchtungslichts.
Es wird darauf hingewiesen, dass nicht nur monochromatisches Beleuchtungslicht verwendet werden kann, welches beispielsweise von einem Laser, insbesondere von einer Laserdiode oder von einer Leuchtdiode erzeugt werden kann. Das Beleuchtungslicht kann auch von einer spektral breitbandigen Lichtquelle erzeugt werden, so dass die auf die Innenwand projizierten Beleuchtungsstrukturen nicht nur räumlich sondern zusätzlich auch spektral, d.h. hinsichtlich ihrer Farbe strukturiert sind. Auch die Farbstrukturierung kann dazu verwendet werden, die dreidimensionale Form des zu vermessenden Hohlraums genau zu bestimmen.
Gemäß Anspruch 5 ist das optische Ablenkungselement ein optisches Gitter, welches eine Substruktur aufweist. Das optische Ablenkungselement kann dabei ein so genanntes Dam- man-Gitter sein, welches eine besonders vorteilhafte Substruktur aufweist, so dass die Lichtintensität selektiv und ggf. weitgehend gleichmäßig auf bestimmte Beugungsordnungen verteilt wird. Insbesondere kann die zur Verfügung stehende
Lichtintensität auf höhere Beugungsordnungen verteilt werden, so dass möglichst wenig Beleuchtungslicht in niedrige Beu- gungsordnungen gelenkt wird, welche lediglich in einem kleinen Winkel zu der Längsachse verlaufen. Somit ist der Winkel vergleichsweise groß, in dem die Beleuchtungslinien auf die Innenwand des zu vermessenden Hohlraum in Bezug auf die Längsachse der beschriebenen optischen Messvorrichtung projiziert werden. Dies hat wiederum positive Auswirkungen auf die Messgenauigkeit der optischen Messvorrichtung.
Der Begriff optisches Gitter bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Gitterabstände in der Größenordnung der Wellenlänge bzw. des Wellenlängenspektrums des Beleuchtungslichts liegen.
Gemäß Anspruch 6 weist die optische Messvorrichtung ferner eine Projektionsoptik auf, welche in dem Beleuchtungsstrah- lengang angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass eine
Fokussierung 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 Beleuchtungslichts zwischen der Optik und des optischen Ablenkungselements und von der optischen Weglänge zwischen dem opti- sehen 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 .
Gemäß Anspruch 7 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich einen in der Längsachse in einem schrägen Winkel angeordneten Strahlteiler auf, welcher den Beleuchtungsstrahlengang derart umlenkt, dass ein objektseitiger Abschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs parallel zu der Längsachse verläuft oder welcher den Abbildungsstrahlengang derart umlenkt, dass ein bildseitiger Abschnitt des Abbildungsstrahlengangs winklig zur Längsachse verläuft.
In diesem Zusammenhang bedeutet schräger Winkel, dass der Strahlteiler in einem Winkel ungleich von 0° und ungleich von 90° in Bezug auf die Längsachse angeordnet ist. Bevorzugt ist der Strahlteiler in einem Winkel von 45° zur Längsachse geneigt, so dass der Beleuchtungsstrahlengang oder der Abbildungsstrahlengang einen Knick von 90° aufweist.
Gemäß Anspruch 8 ist zumindest ein Abschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs, in dem das Beleuchtungslicht parallel zur Längsachse geführt ist, um den mittig in der Längsachse verlaufenden Abbildungsstrahlengang herum ausgeformt. Dabei kann der Beleuchtungsstrahlengang in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse ringsymmetrisch, d.h. konzentrisch um die Längsachse bzw. den Abbildungsstrahlengang herum angeordnet sein. Dies bedeutet, dass ein zu der Längsachse konzentrischer Beleuchtungsstrahl auf das optische Ablenkungsele- ment trifft, welches ebenfalls symmetrisch zu der Längsachse ausgebildet ist. Als optisches Ablenkungselement eignet sich beispielsweise ein ringförmiges Gitter.
An dieser Stelle wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die beschriebene Messvorrichtung in Bezug auf die relative räumliche Anordnung von Beleuchtungsstrahlengang und Abbildungsstrahlengang auch auf andere Weise realisiert werden kann. So kann beispielsweise der Abbildungsstrahlengang um den mittig in der Längsachse verlaufenden Beleuchtungsstrah- lengang herum ausgeformt sein. In diesem Fall werden die an die Innenwand des zu vermessenden Hohlraums projizierten Beleuchtungslinien mittels einer bevorzugt konzentrisch zur Längsachse angeordneten ringförmigen Apertur erfasst. Der Abbildungsstrahlengang kann in diesem Fall beispielsweise mittels entsprechend um die Längsachse herum räumlich verteilten Lichtwellenleitern realisiert werden, welche in ihrer Gesamtheit eine Bildübertragung ermöglichen. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass der Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang teilweise auch koaxial verlaufen können. Für die auf dem Prinzip der Trian- gulation beruhenden 3D Vermessung ist es nämlich ausreichend, wenn objektseitig, d.h. in der Nähe der zu vermessenden Beleuchtungslinien, der Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang räumlich getrennt werden, so dass ein Triangulationswinkel gegeben ist. Eine objektseitige Aufspal- tung von Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang kann beispielsweise durch geeignete Strahlteiler oder durch einen Lichtwellenleiter erfolgen, dessen objektseitiges Ende in zwei räumlich getrennte Teilenden aufgespalten ist.
Gemäß Anspruch 9 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 einrichtet 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 detaillierte Einsicht führt auch bei der beschriebenen optischen Messvorrichtung 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 opti- sehe 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.
Gemäß Anspruch 10 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich eine Abbildungsoptik auf, welche objektseitig in dem Abbildungsstrahlengang angeordnet ist. Die Abbildungsoptik hat bevorzugt eine besonders kurze Brennweite, so dass die an die Innenwand projizierten Beleuchtungslinien unter einem großen Abbildungswinkel in Bezug auf die Längsachse von der Kamera erfasst werden können. Die Beabstandung benachbarter Beleuchtungslinien ist somit besonders deutlich erkennbar. Eine Optik mit einer derart kurzen Brennweite wird häufig auch als "Fischaugenoptik" bezeichnet, mit der ein sehr weiter Winkelbereich erfasst werden kann.
Der Begriff objektseitig ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass sich die Abbildungsoptik nahe an den zu erfassenden Beleuchtungslinien befindet. Die Beleuchtungslinien stellen nämlich bei der beschriebenen optischen Messvorrichtung das zu erfassende Objekt dar.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Triangulationswinkel insbesondere von dem Abstand der Abbildungsoptik von dem optischen Ablenkungselement bestimmt wird. Die relative Positionierung der Abbildungsoptik zu dem optischen Ablen- kungselement bestimmt somit, wie oben bereits dargelegt, die Auflösung der beschriebenen optischen Messvorrichtung.
Gemäß Anspruch 11 weist die optische Messvorrichtung zusätz- lieh eine fixierbare Mechanik auf, mit der die optische Messvorrichtung an dem Objekt fixierbar ist.
Sofern die fixierbare Mechanik eine definierte Verschiebung der optischen Messvorrichtung insbesondere entlang der Längs- achse ermöglicht, können somit mehrere Messungen durchgeführt werden können, bei denen die optische Messvorrichtung in unterschiedlichen Tiefen in den zu vermessenden Hohlraum eingeführt ist. Somit kann auch ein länglicher Hohlraum wie beispielsweise ein menschlicher Gehörgang in seiner gesamten Länge dreidimensional vermessen werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die optische Messvorrichtung auch in einer miniaturisierten Bauform realisiert werden kann. So kann beispielsweise die optische Messvorrichtung einschließlich der Kamera und der Lichtquelle so klein sein, dass die gesamte optische Messvorrichtung zur Vermessung eines Gehörgangs in denselben eingeführt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass zur 3D Vermessung des menschlichen Gehörgangs, welcher an einer Stelle eine besonders starke Krümmung aufweist, der Ohrkanal nicht oder nur unwesentlich verformt werden muss.
Gemäß Anspruch 12 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich eine Markierung auf, welche von zumindest zwei externen Kameras erfassbar ist. Dies hat den Vorteil, dass die Position der optischen Messvorrichtung durch eine geeignete Bildverarbeitung der von beiden Kameras erfassten Bilder genau bestimmt werden kann. Dabei kann ebenfalls auf bekannte auf dem Prinzip der Triangulation beruhende Verfahren zur Positi- onsbestimmung zurückgegriffen werden. Selbstverständlich sind dabei die beiden Kameras räumlich derart angeordnet, dass die Markierung aus unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen erfassbar ist.
Bevorzugt sind zumindest zwei Markierungen vorhanden, so dass durch geeignete photogrammetrische Algorithmen der von den beiden Kameras aufgenommenen Bilder sowohl die Position als auch die Orientierung der optischen Messvorrichtung bestimmt werden kann.
Mit dem unabhängigen Patentanspruch 13 wird ein Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums, insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen des Gehörgangs eines menschlichen oder tierischen Lebewesens angegeben. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: (a) Einführen zumindest eines objektseitigen Teils einer oben genannten optischen Messvorrichtung in den zu vermessenden Hohlraum, (b) Strukturieren des Beleuchtungslichts mittels des optischen Ablenkungselements, so dass an der Innenwand des Hohlraums zumindest eine um die Längsachse umlaufende Beleuchtungslinie erzeugt wird, (c) Erfassen der zumindest einen Beleuchtungslinie mittels einer Kamera, und (d) Auswerten der Verzerrung der erfassten zumindest einen Beleuchtungslinie .
Dem genannten Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Projektion einer zylindersymmetrisch strukturierten Beleuchtung auf die Innenwand des zu vermessenden Hohlraums eine schnelle und zugleich präzise Hohlraumvermessung ermöglicht, sofern die Erfassung der zumindest einen erzeugten Beleuchtungslinie unter einem von 0° verschiedenen Triangulationswinkel erfolgt. Aus der Verzerrung der zumindest einen Beleuchtungslinie in einem von der Kamera erfassten zweidimensionalen Bild kann sowohl die Größe als auch die Form des Hohlraums vermessen werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 14 weist das Verfahren zusätzlich die folgenden Schritte auf: (a) Verschieben der optischen Messvorrichtung, (b) erneutes Strukturieren des Beleuchtungslichts mittels des optischen Ablenkungselements, so dass an der Innenwand des Hohlraums zumindest eine um die Längsachse umlaufende weitere Beleuch- tungslinie erzeugt wird, (c) Erfassen der zumindest einen weiteren Beleuchtungslinie mittels der Kamera, und (d) Auswerten der Verzerrung der erfassten zumindest einen weiteren Beleuchtungslinie .
Auf diese Weise kann durch eine sukzessive Aufnahme von mehreren gegeneinander verschobenen Erfassungsbereichen auch ein länglicher Hohlraum vollständig vermessen werden. Selbstverständlich kann die optische Messvorrichtung dazu wiederholt, im Prinzip beliebig oft, um jeweils eine vorgegebene Strecke verschoben werden. Sofern benachbarte Erfassungsbereiche eine gewisse Überlappung aufweisen, können beispielsweise in einem zu vermessenden Gehörgang gleiche Strukturen des Ohres erkannt und die entsprechenden Bilder mittels Bildverarbeitung zueinander justiert werden. Einen Gehörgang mit einer Länge von ungefähr 4 cm kann somit je nach Größe der erfassten Teilvolumina mit 100 bis 1000 sich teilweise überlappenden Einzelmessungen vollständig in 3D vermessen werden .
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 15 wird die optische Messvorrichtung von einer inneren Messposition hin zu einer äußeren Messposition verschoben wird. In diesem Zusammenhang bedeutet innerer Messposition, dass der entsprechende Erfassungsbereich der opti- sehen Messvorrichtung weiter innen in dem zu vermessenden
Hohlraum liegt als der Erfassungsbereich, welcher der äußeren Messposition der optischen Messvorrichtung zugeordnet ist.
Bei der Vermessung eines Gehörgangs bedeutet dies, dass die optische Messvorrichtung zunächst tief in den Ohrkanal eingeführt wird und nach einer ersten Messung langsam aus dem Ohrkanal herausgezogen wird. Eine Vermessung des Gehörgangs, bei der die optische Messvorrichtung lediglich nach außen hin verschoben wird, hat den Vorteil, dass der Ohrkanal durch einen an der Innenwand des Ohrkanals reibenden Messkopf lediglich in geringer und zudem definierter Art und Weise deformiert wird. Im Vergleich zu dem Fall, bei dem die optische Messvorrichtung nach innen in tiefere Bereiche des Gehörgangs eingeführt wird und somit bei einer Reibung das Gewebe des Ohrkanals zusammen schiebt, verursacht ein langsames Herausziehen des an der Innenwand des Ohrkanals reibenden Messkopfes deutlich geringere Deformationen des zu vermessenden Gehörgangs .
Gemäß Anspruch 16 weist das Verfahren zusätzlich folgenden Schritt auf: Einführen einer eine optisch erfassbare Struktur aufweisenden elastischen Membran zwischen der optischen
Messvorrichtung und der Innenwand des zu vermessenden Hohlraums, wobei die elastische Membran flächig an der Innenwand anliegt. Die Struktur ist dabei bevorzugt derart ausgebildet, dass sie bei der Bildauswertung der von der Kamera aufgenom- menen Bilder leicht erkannt werden kann. Die Struktur kann beispielsweise eine Vielzahl von punktförmige Marken umfassen .
Die Struktur kann auch unterschiedliche Markierungen aufwei- sen, so dass eine präzise und insbesondere eindeutige Bildzusammensetzung möglich ist.
Die Verwendung einer optisch strukturierten Membran hat den Vorteil, dass sich bei einer kombinierten Auswertung von verschiedenen Bildfolgen einzelne Fehler nicht akkumulieren. In Verbindung mit der dreidimensionalen Vermessung eines Gehörgangs hat die strukturierte Membran den Vorteil, dass sich unmittelbar an der Hautoberfläche im Gehörgang genügend erkennbare Strukturen für die Bildzusammensetzung befinden.
Die Verwendung der beschriebenen elastischen Membran zur Gehörgang-Vermessung hat zudem den Vorteil, dass hygienische Anforderungen bei der Gehörgang-Vermessung automatisch erfüllt sind. Dies gilt jedenfalls dann, wenn für jede Gehörgang-Vermessung eine neue Membran verwendet wird. Außerdem hat die Membran den Vorteil, dass Störeffekte durch Haare weitgehend eliminiert werden.
Gemäß Anspruch 17 weist das Verfahren zusätzlich folgenden Schritt auf: Aufblasen der eingeführten Membran. Dies hat den Vorteil, dass die strukturierte Membran fest an der Innenwand des zu vermessenden Hohlraums anliegt. Bei der Vermessung von Gehörgängen hat dies den Vorteil, dass eine 3D Vermessung auch von kollabierten Gehörgängen möglich ist, wobei Abbilder der ursprünglichen Gehöhrgangsformen erstellt werden. Auf Basis der 3D Vermessung können somit auch für kollabierte Gehöhrgänge mechanisch passende Hörgeräte oder Otoplastiken hergestellt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. In der Zeichnung zeigen in schematischen Darstellungen
Figur Ia eine Querschnittsansicht einer zylindersymmetrischen optischen Messvorrichtung,
Figur Ib ein Kamerabild, welches vier Bilder von entsprechenden an die Innenwand des Hohlraums projizierten Beleuchtungslinien zeigt,
Figur Ic eine Frontansicht des objektseitigen Endes der in Figur 1 dargestellten optischen Messvorrichtung,
Figur Id die am objektseitigen Ende der in Figur 1 darge- stellten optischen Messvorrichtung ausgebildeten
Strahlengänge des Beleuchtungslichts und des Abbil- dungslichts, welche Strahlengänge den Triangulationswinkel bestimmen,
Figur 2a die von einem eine Substruktur aufweisenden Ringgit- ter erzeugten und auf die Innenwand des Hohlraums projizierten Beugungsringe, und
Figur 2b eine perspektivische Teilschnittansicht eines zu vermessenden Hohlraums mit den an die Innenwand des Hohlraums projizierten Beleuchtungslinien.
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 Längsachse 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 Längsachse 117 orientierten Strahlteiler 113, so dass abhängig von dem Reflexionsvermögen des Strahlteilers 113 zumindest ein Teil des Beleuchtungslichts 111 in einen Hohlzylinder 115 eingespeist wird, wel- eher symmetrisch zu der Längsachse 117 angeordnet ist. Um ein Einkoppeln des Beleuchtungslichts 111 in den zentralen Teil des Hohlzylinder 115 zu verhindern, ist zwischen Strahlteiler 113 und 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 Längsachse 117 ausgebildet. An einem obj ektseitigen Ende der optischen Messvorrichtung 100 trifft das Beleuchtungslicht auf ein optisches Ablenkungselement 120, welches ebenfalls eine zylindersymmetrische Form aufweist und zylindersymmetrisch um die Längsachse 117 herum angeordnet ist. Das optische Ablenkungselement 120 kann ein optisch diffraktives Element oder ein optisch refraktives Element sein. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbei- spiel ist das optische Ablenkungselement ein Ringgitter 120.
Das Ringgitter 120 weist eine Substruktur auf, so dass die einfallende Lichtintensität bevorzugt in höhere Beugungsordnungen gelenkt wird. Auf diese Weise wird das Beleuchtungs- licht räumlich derart strukturiert, dass konzentrisch zu der Längsachse 117 mehrere Beleuchtungsstrukturen 122 entstehen, die jeweils die Form eines Kegelmantels 122 aufweisen und die auf die Innenwand eines zu vermessenden Hohlraums 125 projiziert werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in Figur Ia nur eine Beleuchtungsstruktur 122 dargestellt, die einer höheren Beugungsordnung zugeordnet ist.
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 Pro- jektionsoptik 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 Brenn- weite 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 135 eine Stablinsenanordnung 135, die beispielsweise auch in der Medizintechnik in endoskopi- sehen 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 Längsachse 117 hin zum bildseitigen Ende der optischen Messvorrichtung 100 erstreckt. Der Abbildungsstrahlengang 136 und der Beleuch- tungsstrahlengang 116 sind jeweils zylindersymmetrisch zu der Längsachse 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 Abbildungsstrahlengang 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 142 relativ zu der Längsachse 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 Abbil- dungsoptik 132, die von dem Ringgitter 120 umgeben ist.
Figur Id zeigt in einer Querschnittsdarstellung die am objektseitigen Ende der optischen Messvorrichtung 100 ausgebildeten Strahlengänge des Beleuchtungslichts 122 und des Abbil- dungslichts 130. Für eine bestimmte Beleuchtungslinie 128, die in Figur Id dargestellt ist, ergibt sich in Bezug auf die Längsachse 117 ein mittlerer Projektions- bzw. Beleuchtungswinkel ß. Dabei wird davon ausgegangen, dass das Beleuchtungslicht 122 aus dem kreisringförmigen Ringgitter 120 austritt.
Das Ringgitter 120 weist einen mittleren Radialabstand r von der Längsachse 117 auf. In entsprechender Weise ergibt sich für die dargestellte Beleuchtungslinie 128 in Bezug auf die Längsachse 117 ein Abbildungswinkel α. Dabei wird berücksichtigt, dass das Abbildungslicht 130 von der mittig auf der Längsachse 117 angeordneten Abbildungsoptik 132 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 Längsachse 117 zwischen dem Ringgitter 120 und der Abbildungsoptik 132.
Figur 2a zeigt ein am Ende eines Hohlzylinders 215 angeordnetes Ringgitter 220. In dem Hohlzylinder 215 wird versetzt zu der Längsachse 217 ein Beleuchtungsstrahl 216 geführt, der von dem Ringgitter 220 in zylindersymmetrischer Weise räum- lieh strukturiert wird, so dass kegelmantelförmige Beleuchtungsstrukturen 222 erzeugt werden. Die Beleuchtungsstrukturen 222 werden auf die Innenwand eines Hohlraums 225 bzw. eines Gehörgangs 225 projiziert. Im Ergebnis entstehen, wie oben bereits beschrieben, Beleuchtungslinien 228, die in geschlossener Weise die Längsachse 217 umlaufen.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Ringgitter 220 eine Substruktur auf, die derart ausgebildet ist, dass die auf das Ringgitter 220 einfallende Intensität an Beleuchtungslicht 216 selektiv auf sechs weitgehend gleich intensive Beugungsordnungen verteilt wird. Dabei haben die Beugungsstrukturen niedrigerer Ordnung keine oder lediglich eine vernachlässigbare Intensität. Insbesondere die nullte Beugungsordnung ist unterdrückt, welche parallel zu der Längsachse 217 verläuft. Im Ergebnis führt dies dazu, dass sechs Beleuchtungslinien 228 an der Innenwand des Hohlraums 225 erzeugt werden. Die räumliche Vermessung dieser Beleuchtungslinien 228 erfolgt in gleicher Weise, wie oben anhand von Figur Ia beschrieben.
Figur 2b zeigt eine perspektivische Teilschnittansicht eines zu vermessenden Hohlraums 225 mit den an die Innenwand des Hohlraums 225 projizierten Beleuchtungslinien 228. Das die Beleuchtungslinien 228 erzeugende Beleuchtungslicht ist mit dem Bezugszeichen 222 gekennzeichnet. Das Ringgitter ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Ferner ist der Hohlzylinder 215 zu erkennen, in dem das Beleuchtungslicht 216 bis hin zum Ringgitter in zylindersymmetrischer Weise geführt ist.
Die Beleuchtungslinien 228 werden unter Verwendung der zwei- ten Abbildungsoptik 232 von der nicht dargestellten Kamera erfasst, indem das entsprechende von den Beleuchtungslinien 228 ausgesandte Abbildungslicht 230 eingesammelt wird.
Die Strahlengänge des Beleuchtungslichts ausgehend von der als Lichtquelle verwendeten Laserdiode und des Abbildungslichts bis hin zu der Kamera verlaufen wie oben anhand von Figur 1 beschrieben. Auch die Bildauswertung erfolgt in entsprechender Weise.
Um auch einen länglichen Hohlraum 225 vollständig vermessen zu können, können sukzessive mehrere Bildaufnahmen von gegeneinander verschobenen Erfassungsbereichen innerhalb des Hohlraums 225 vermessen werden. Dabei kann die optische Messvorrichtung im Prinzip beliebig oft um jeweils eine vorgegebene Strecke verschoben werden. Sofern benachbarte
Erfassungsbereiche eine gewisse Überlappung aufweisen, können beispielsweise in einem zu vermessenden Gehörgang gleiche Strukturen des Ohres erkannt und die entsprechenden Bilder mittels Bildverarbeitung zueinander justiert werden.
Ein definiertes Verschieben der optischen Messvorrichtung kann auf einfache Weise dadurch realisiert werden, dass eine fixierbare Mechanik 260 verwendet wird, die mittels Fixierelementen 261 definiert an dem Objekt befestigbar ist, in welchem der zu vermessende Hohlraum 225 ausgebildet ist. Die fixierbare Mechanik 260 erlaubt dann eine definierte Bewegung 265 bevorzugt entlang der Längsachse der optischen Messvor- richtung. Durch ein nicht dargestelltes Wegmesssystem kann die Position der optischen Messvorrichtung relativ zu dem Objekt, beispielsweise dem Kopf eines Patienten, stets genau bestimmt und bei der Auswertung der von der Kamera aufgenom- menen Bilder berücksichtigt werden.
Ebenso kann die Position der optischen Messvorrichtung auch mittels der auf dem Prinzip der Triangulation beruhenden optischen Erfassung einer Markierung 270a ermittelt werden. Dabei wird die Markierung 270a von zwei in einem Winkel zueinander angeordneten Kameras, einer ersten Kamera 272a und einer zweiten Kamera 272b erfasst. Durch eine entsprechend kombinierte Bildauswertung der von beiden Kameras 272a, 272b erfassten Bilder kann die räumliche Position der Markierung 270a genau bestimmt werden.
Er wird darauf hingewiesen, dass die optische Messvorrichtung auch mit einer zweiten Markierung 272b versehen sein kann. Somit kann durch geeignete photogrammetrische Algorithmen der von den beiden Kameras 270a, 270b aufgenommenen Bilder sowohl die Position als auch die Orientierung der optischen Messvorrichtung bestimmt werden.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die hier beschriebe- nen 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 offensichtlich offenbart anzusehen sind. Bezugszeichenliste
100 optische Messvorrichtung
110 Lichtquelle, Laserdiode 111 Beleuchtungslicht
112 Projektionsoptik, Strahlaufweiter
113 Strahlteiler
114 optisches Abschattungselement
115 Hohlzylinder 116 Beleuchtungsstrahlengang
117 Längsachse
120 optisches Ablenkungselement, optisch diffraktives Element, Ringgitter
122 Beleuchtungsstruktur, Kegelmantel 125 Hohlraum, Gehörgang
128 Beleuchtungslinie
130 Abbildungslicht
132 Abbildungsoptik, Fischauge
135 Licht leitende Einrichtung / Stablinsenanordnung 135a Stablinse
136 Abbildungsstrahlengang 142 Abbildungsoptik
145 Kamera
146 Auswerteeinheit 148 Kamerabild
149 Bilder der Beleuchtungslinien 128 d Durchmesser
1 Länge r Radialabstand: "Austritt Beleuchtungslicht" - Längs- achse 117
Δl Längsabstand: Ringgitter 120 - Abbildungsoptik 132 α Abbildungswinkel ß Beleuchtungswinkel θ Triangulationswinkel 215 Hohlzylinder
216 Beleuchtungsstrahlengang
217 Längsachse 220 Ringgitter
222 Beleuchtungsstruktur, Kegelmantel
225 Hohlraum, Gehörgang
228 Beleuchtungslinie
230 Abbildungslicht 232 zweite Abbildungsoptik, Fischauge
260 fixierbare Mechanik
261 Fixierelement
265 Bewegungsrichtung
270a erste Markierung 270b zweite Markierung
272a erste Kamera
272b zweite Kamera

Claims

Patentansprüche
1. Optische Messvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums (125, 225), insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen des Gehörgangs (125, 225) eines menschlichen oder tierischen Lebewesens, die optische Messvorrichtung (100) aufweisend
• eine Lichtquelle (110), eingerichtet zum Aussenden von Beleuchtungslicht (111) entlang eines Beleuchtungsstrahlen- gangs (116, 216),
• ein optisches Ablenkungselement (120), welches das ausgesendete Beleuchtungslicht (111) räumlich derart strukturiert, dass an der Innenwand zumindest eine um die Längsachse (117, 217) umlaufende Beleuchtungslinie (128, 228) erzeugt wird, und
• eine Kamera (145), welche über einen Abbildungsstrahlengang
(136) die zumindest eine Beleuchtungslinie (128, 228) unter einem Triangulationswinkel (θ) erfasst.
2. Optische Messvorrichtung nach Anspruch 2, 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, 225) automatisch bestimmbar ist.
3. Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der das optische Ablenkungselement (120) eine in Bezug auf die Längsachse (117, 217) zylindersymmetrische Form aufweist.
4. Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das optische Ablenkungselement (120) ein optisch diffraktives Element und/oder ein optisch refraktives Element ist.
5. Optische Messvorrichtung nach Anspruch 4, bei der das optische Ablenkungselement ein optisches Gitter (120) ist, welches eine Substruktur aufweist.
6. Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zusätzlich aufweisend
• eine Projektionsoptik (112), welche in dem Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist.
7. Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zusätzlich aufweisend
• einen in der Längsachse (117, 217) in einem schrägen Winkel angeordneten Strahlteiler (113), - welcher den Beleuchtungsstrahlengang (116) derart umlenkt, dass ein objektseitiger Abschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs (116) parallel zu der Längsachse (117, 217) verläuft oder - welcher den Abbildungsstrahlengang derart umlenkt, dass ein bildseitiger Abschnitt des Abbildungsstrahlengangs winklig zur Längsachse verläuft.
8. Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der zumindest ein Abschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs (116), in dem das Beleuchtungslicht (111) parallel zur Längsachse (117, 217) geführt ist, um den mittig in der Längsachse (117, 217) verlaufenden Abbildungsstrahlengang (136) herum ausgeformt ist.
9. Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zusätzlich aufweisend
• eine Licht leitende Einrichtung (135), welche in dem Abbildungsstrahlengang (136) angeordnet ist und welche zum Über- tragen eines zweidimensionales Bildes (148) der Beleuchtungslinien (128, 228) hin zu der Kamera (145) einrichtet ist .
10. Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
9, zusätzlich aufweisend
• eine Abbildungsoptik (132), welche objektseitig in dem Abbildungsstrahlengang (136) angeordnet ist.
11. Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
10, zusätzlich aufweisend
• eine fixierbare Mechanik (260, 261), mit der die optische Messvorrichtung an dem Objekt fixierbar ist.
12. Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
11, zusätzlich aufweisend
• eine Markierung (270a), welche von zumindest zwei externen Kameras (272a, 272b) erfassbar ist.
13. Verfahren zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums (125, 225), insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen des Gehörgangs (125, 225) eines menschlichen oder tierischen Lebewesens, das Verfahren aufweisend die folgenden Schritte
• Einführen zumindest eines objektseitigen Teils einer optischen Messvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in den zu vermessenden Hohlraum (125, 225), • Strukturieren des Beleuchtungslichts (111) mittels des optischen Ablenkungselements (120), so dass an der Innenwand des Hohlraums (125, 225) zumindest eine um die Längsachse (117, 217) umlaufende Beleuchtungslinie (128, 228) erzeugt wird, • Erfassen der zumindest einen Beleuchtungslinie (128, 228) mittels einer Kamera (145), und
• Auswerten der Verzerrung der zumindest einen erfassten Beleuchtungslinie (149).
14. Verfahren nach Anspruch 13, zusätzlich aufweisend die folgenden Schritte
• Verschieben der optischen Messvorrichtung (100), • erneutes Strukturieren des Beleuchtungslichts (111) mittels des optischen Ablenkungselements (120), so dass an der Innenwand des Hohlraums (125, 225) zumindest eine um die Längsachse (117, 217) umlaufende weitere Beleuchtungslinie (128, 228) erzeugt wird,
• Erfassen der zumindest einen weiteren Beleuchtungslinie
(128, 228) mittels der Kamera (145), und
• Auswerten der Verzerrung der erfassten zumindest einen weiteren Beleuchtungslinie (128, 228).
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die optische Messvorrichtung (100) von einer inneren Messposition hin zu einer äußeren Messposition verschoben wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, zusätzlich aufweisend
• Einführen einer eine optisch erfassbare Struktur aufweisenden elastischen Membran zwischen der optischen Messvorrichtung und der Innenwand des zu vermessenden Hohlraums, wobei die elastische Membran flächig an der Innenwand anliegt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, zusätzlich aufweisend
• Aufblasen der eingeführten Membran.
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