DE102007005388A1

DE102007005388A1 - Refraktive Erzeugung eines konzentrisch aufgefächerten strukturierten Lichtstrahlenbündels, optische Messvorrichtung mit refraktivem Ablenkungselement

Info

Publication number: DE102007005388A1
Application number: DE102007005388A
Authority: DE
Inventors: Martin Kunz; Anton Schick; Michael Stockmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2008-08-07
Also published as: CN101600935A; AU2008209810B2; EP2115385A1; JP2010518367A; US20100020333A1; WO2008092820A1; JP5383509B2; AU2008209810A1; US8040527B2

Abstract

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

Description

Refraktive Erzeugung eines konzentrisch aufgefächerten strukturierten Lichtstrahlenbündels, optische Messvorrichtung mit refraktivem Ablenkungselement.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Ablenkungselement, mit dem ein primäres homogenes Lichtstrahlenbündel kegelmantelförmig aufgefächert werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine optische Messvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums, welche optische Messvorrichtung das genannte optische Ablenkungselement aufweist. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines konzentrisch aufgefächerten, räumlich strukturierten Lichtstrahlenbündels unter Verwendung des genannten optischen Ablenkungselements.
Die Oberflächenstruktur von zumindest annähernd tubusförmigen Innenflächen eines Hohlraums kann mittels optischer Triangulation dreidimensional erfasst werden. Dabei wird auf die Innenfläche des jeweiligen zu erfassenden Hohlraums ein räumlich strukturiertes Beleuchtungsmuster projiziert und die Szene mittels eines Kamerasystems digital erfasst. Durch Vermessung der aus der Oberflächenform resultierenden Verzeichnung des an die Innenwand projizierten Beleuchtungsmusters, welche mit bekannten Methoden der Bildverarbeitung in automatischer Weise durchgeführt werden kann, kann ein digitales Modell, das die Form des Hohlraums abbildet, berechnet werden. Dabei werden Abweichungen bzw. Verzerrungen der erfassten projizierten Linien von den bekannten, eingangs symmetrischen und zu einer optischen Achse konzentrischen Kreisformen erfasst.
Eine derartige Hohlraumvermessung mittels optischer Triangulation kann auf vorteilhafte Weise bei der Vermessung bzw. bei der Profilierung des menschlichen Gehörganges angewendet werden. Infolge der Anatomie des Gehörgangs muss demzufolge eine optische Messvorrichtung bereitgestellt werden, welche einen maximalen Durchmesser von 4 mm nicht überschreiten darf. Diese Randbedingung gilt für die gesamte objektseitige Optik einer derartigen optischen Messvorrichtung, welche Optik zur Hohlraumvermessung in den Gehöhrkanal eingeführt werden muss. Die objektseitige Optik umfasst dabei zumindest ein Kamerasystem und ein optisches Element zur Erzeugung der strukturierten Beleuchtung. Das Kamerasystem und das optische Element sind dabei konzentrisch zu einer gemeinsamen optischen Achse der optischen Messvorrichtung angeordnet.
Es ist bekannt zur Erzeugung von strukturierten Beleuchtungen diffraktive optische Elemente zu verwenden. Insbesondere (binäre) Phasengitter, die auch als sog. Dammann-Gitter bekannt sind, können infolge einer besonders vorteilhaften Substruktur die einfallende Intensität eines primären Lichtstrahlenbündels selektiv und ggf. weitgehend gleichmäßig auf bestimmte Beugungsordnungen verteilen.
Um ein strukturiertes Beleuchtungsmuster aus konzentrischen Ringen zu erzeugen, ist aus der Veröffentlichung "Changhe Zhou, Jia Jia, Liren Liu; Circular Dammann Grating; Optics Letters, Vol. 28, No. 22, 2003, Seiten 2174–2176" ein so genanntes zirkulares Damman-Gitter bekannt. Dieses hat jedoch den Nachteil, dass es schwierig ist, bezogen auf die optische Achse des zirkularen Phasengitters größere Ablenkungswinkel zu erreichen. Größere Ablenkungswinkel wären zwar prinzipiell durch die Verwendung von extrem kleinen Phasengitterstrukturen im Bereich von 150 nm möglich. Derartig kleine Phasengitterstrukturen sind jedoch technologisch extrem schwierig herzustellen. Zur Herstellung derartig feiner Gitter werden nämlich Ätzprozesse benötigt, die eine deutlich feinere Strukturierung erfordern als die derzeit üblicherweise verwendeten Ätzprozesse mit einer besten Auflösung von 400 nm.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Ablenkungselement zu schaffen, welches eine breite Auffächerung eines primären Lichtstrahlenbündels ermöglicht und welches außerdem auf vergleichsweise einfache Weise hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Mit dem unabhängigen Patentanspruch 1 wird ein optisches Ablenkungselement zur refraktiven Erzeugung eines konzentrisch zu einer optischen Achse des Ablenkungselements aufgefächerten, räumlich strukturierten Lichtstrahlenbündels beschrieben. Das optische Ablenkungselement weist einen Grundkörper auf, welcher zumindest teilweise aus einem optisch transparenten Material gefertigt ist und welcher eine Lichteingangsseite und eine Lichtausgangsseite aufweist. Die Lichteingangsseite ist derart ausgebildet, dass ein primäres Lichtstrahlenbündel in den Grundkörper einkoppelbar ist. Die Lichtausgangsseite weist bezogen auf die optische Achse des Ablenkungselements eine zylindersymmetrische Kontur auf, welche in dem Grundkörper eine Aussparung definiert.
Dem beschriebenen optischen Ablenkungselement liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine konkave, d. h. nach innen gewölbte zylindersymmetrisch geformte Kontur an der Lichtausgangsseite mittels Refraktion an der entsprechenden optischen Grenzfläche auf einfache Weise eine vergleichsweise breite Strahlauffächerung realisiert werden kann. Dabei bestimmt der Winkel, den der jeweilige Radialbereich der Kontur mit der optischen Achse einschließt entsprechend des Brechungsgesetzes von Snellius die Stärke der räumlichen Auffächerung.
Das beschriebene optische Ablenkungselement kann im Vergleich zu bekannten diffraktiven optischen Elementen mit einem deutlich geringeren Fertigungsaufwand produziert werden. Neben herkömmlichen mechanischen Herstellungsverfahren eignen sich auch Pressverfahren, die insbesondere für eine preiswerte Massenfertigung als geeignet anzusehen sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 2 weist die Kontur einen ersten ringförmigen Abschnitt auf, welcher im wesentlichen die Form von zumindest einem Teil einer ersten Mantelfläche eines in das Innere des Grundkörpers gerichteten Kegels aufweist. Dabei schließen die Mantellinien der ersten Mantelfläche mit der optischen Achse einen ersten Winkel ein.
Sofern die Kontur im wesentlichen die Form eines vollständigen Kegelmantels aufweist, ist automatisch die oben genannte Bedingung einer zylindersymmetrischen Kontur erfüllt. Sofern die Kontur die Form eines nicht vollständigen Kegelmantels aufweist, ist die oben genannte Bedingung einer zylindersymmetrischen Kontur dann erfüllt, wenn die Kontur die Form der Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist.
Unter dem Begriff Mantellinien sind dabei diejenigen Linien zu verstehen, die auf dem Mantel des Kegels, welcher einen Rotationskörper darstellt, längs zu seiner Rotationsachse verlaufen. Dabei fällt die Rotationsachse mit der optischen Achse des Ablenkungselements bzw. des Grundkörpers zusammen. Die Mantellinien sind also die Verbindungsstrecken zwischen der reellen oder der virtuellen Spitze des Kegels bzw. des Kegelstumpfes und den Randpunkten des entsprechenden Grundkreises.
Der beschriebene erste Winkel zwischen den Mantellinien und der optischen Achse ist dabei genau halb so groß wie der Öffnungswinkel des in das Innere des Grundkörpers gerichteten Kegels. Durch die Wahl des Öffnungswinkels des Kegels kann auf einfache Weise die Winkelablenkung und damit der Grad der Auffächerung des aus der Lichtaustrittsfläche austretenden Lichtkegels bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 3 weist die Kontur einen zweiten ringförmigen Abschnitt auf, welcher in radialer Richtung außerhalb des ersten ringförmigen Abschnitts angeordnet ist und welcher im wesentlichen die Form einer zweiten Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist. Dabei schließen die Mantellinien der zweiten Mantelfläche mit der optischen Achse einen zweiten Winkel ein, welcher unterschiedlich zu dem ersten Winkel ist.
Die beschriebenen ringförmigen Abschnitte stellen somit verschiedene konzentrisch zueinander angeordnete im wesentlichen konusförmige Facetten dar. Dabei fächert jede Facette das primäre Lichtstrahlenbündel abhängig von dem Öffnungswinkel des Konus und dem Brechungsindex des Grundkörper-Materials mit einem bestimmten Öffnungswinkel in zylindersymmetrischer Weise auf. Das aus der Lichtaustrittsfläche austretende Lichtstrahlenbündel weist somit zwei kegelmantelförmige Lichtstrukturen auf, die einen unterschiedlichen Öffnungswinkel haben. Im Falle eines zylindrischen Hohlraums, der parallel und konzentrisch zu der optischen Achse orientiert ist, können somit kreisringförmige Projektionslinien an der Innenwand des zylindrischen Hohlraums erzeugt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 4 weist die Kontur zumindest einen dritten ringförmigen Abschnitt auf, welcher in radialer Richtung außerhalb des zweiten ringförmigen Abschnitts angeordnet ist und welcher im wesentlichen die Form einer dritten Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist. Dabei schließen die Mantellinien der dritten Mantelfläche mit der optischen Achse einen dritten Winkel ein, welcher unterschiedlich zu dem zweiten Winkel ist.
Bevorzugt ist der dritte Winkel auch unterschiedlich zu dem ersten Winkel, so dass sämtliche kegelmantelförmige Lichtstrukturen, die aus der Lichtaustrittsfläche austreten, einen unterschiedlichen Öffnungswinkel aufweisen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die zylindersymmetrische Kontur auch in mehr als drei ringförmige Abschnitte unterteilt werden kann. Damit kann das an der Lichteingangsseite eingekoppelte primäre Lichtstrahlenbündel im Prinzip beliebig fein räumlich strukturiert werden, so dass eine Vielzahl von kegelmantelförmigen Lichtstrukturen auf einfache Weise erzeugt werden können.
Durch die Verwendung einer Mehrzahl von kegelmantelförmigen Lichtstrukturen kann im Falle der Vermessung des menschlichen Gehörgangs die Struktur des gesamten Beleuchtungsmusters besonders gut an die erwartete Form eines zu vermessenden Gehörganges angepasst werden. Dabei ist die Projektion einer Mehrzahl von konzentrischen Ringen unter verschiedenen Winkeln zur optischen Achse auf die Innenwand des Gehörgangs als besonders geeignet anzusehen. Um in einer optischen Messvorrichtung einen ausreichend großen Triangulationswinkel zu erreichen, der, wie bei vielen Anwendungen gefordert, eine Ortsauflösung von 50 μm in allen Raumrichtungen sicherstellt, sind bezogen auf die optische Achse Beleuchtungswinkel im Bereich zwischen 10° und 30° erforderlich. Derartige Beleuchtungswinkel können mit dem beschriebenen optischen Ablenkungselement ohne Problem erreicht werden. Der Triangulationswinkel ist wie üblich durch den Winkelabstand zwischen dem Strahlengang des Beleuchtungslichts und dem Strahlengang des von der Kamera erfassten Messlichts definiert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 5 ist die Winkeldifferenz zwischen dem ersten Winkel und einem rechten Winkel größer als die Winkeldifferenz zwischen dem zweiten Winkel und einem rechten Winkel. Dies bedeutet, dass in Bezug auf eine zu der optischen Achse senkrecht orientierte Querschnittsebene die äußeren konusförmigen Facetten eine flachere Neigung aufweisen als die inneren konusförmigen Facetten.
Die beschriebene Ausbildung der unterschiedlichen konusförmigen Facetten mit abgestuften Neigungswinkeln hat den Vorteil, dass das optische Ablenkungselement auf besonders einfache Weise hergestellt werden kann. Das Ausbilden der zylindersymmetrischen Aussparung kann dabei durch eine zweistufige Bearbeitung erfolgen, bei welcher (a) dem ersten ringförmigen Abschnitt eine erste kegelförmige Aussparung mit kleinem Öffnungswinkel und (b) dem zweiten ringförmigen Abschnitt eine zweite kegelförmige Aussparung mit großem Öffnungswinkel zugeordnet ist. Die Reihenfolge der Bearbeitungsschritte (a) und (b) spielt dabei keine Rolle.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine schrittweise Zunahme der beschriebenen Winkeldifferenzen für die einzelnen ringförmigen Abschnitte von außen nach innen, d. h. hin zur optischen Achse, auch mit mehr als drei ringförmigen Abschnitten in entsprechender Weise realisiert werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 6 ist die Winkeldifferenz zwischen dem ersten Winkel und einem rechten Winkel kleiner als die Winkeldifferenz zwischen dem zweiten Winkel und einem rechten Winkel. Dies bedeutet, dass in Bezug auf eine Querschnittsebene zu der optischen Achse die äußeren konusförmigen Facetten eine steilere Neigung aufweisen als die inneren konusförmigen Facetten.
Die mit diesem Ausführungsbeispiel beschriebenen abgestuften Neigungswinkel haben den Vorteil, dass diejenigen Lichtstrahlen, die an den Mantelflächen des äußeren ringförmigen Abschnitts aus der Lichtausgangsseite aus dem Grundkörper austreten, stärker von der optischen Achse weg gebrochen werden als diejenigen Lichtstrahlen, die an den Mantelflächen von weiter innen liegenden ringförmigen Abschnitten aus der Lichtausgangsseite aus dem Grundkörper austreten. Damit kreuzen sich die Strahlengänge der einzelnen aus der Lichtausgangsseite austretenden Lichtstrukturen nicht, so dass der Verlauf der einzelnen Strahlengänge besonders übersichtlich ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 7 weist der erste ringförmige Abschnitt die Form von zumindest einem Teil einer ersten Mantelfläche eines in das Innere des Grundkörpers gerichteten Kegels auf, weist der zweite ringförmige Abschnitt die Form einer zweiten Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweist und/oder weist der dritte ringförmige Abschnitt die Form einer dritten Mantelfläche eines Kegelstumpfes auf. Die beschriebene möglichst exakt kegelförmige bzw. kegelstumpfförmige Aussparung hat den Vorteil, dass die Aussparung auf effektive und zugleich besonders einfache Weise in dem Grundkörper ausgebildet werden kann. Abhängig von der Größe der Aussparung und/oder von der mechanischen Bearbeitbarkeit des optisch transparenten Materials können unterschiedliche Methoden wie beispielsweise ein mechanisches Drehen, ein Pressen oder ein Heißprägen zur Herstellung des optischen Ablenkungselements eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 8 weist der erste ringförmige Abschnitt, der zweite ringförmige Abschnitt und/oder der dritte ringförmige Abschnitt eine gekrümmte Oberfläche auf. Dabei können die jeweiligen Oberflächen unabhängig voneinander eine konkave oder eine konvexe Oberfläche aufweisen.
Die beschriebe Krümmung in den einzelnen ringförmigen Abschnitten hat den Vorteil, dass die Lichtstrahlen, die aus den verschiedenen leicht gekrümmten konusförmigen Facetten austreten, individuell fokussiert werden können. Dabei führt eine konvexe optische Grenzfläche einer Facette zu einer leichten Fokussierung der entsprechenden Lichtstruktur. Sofern auch ohne konkave Grenzfläche eine Fokussierung der Lichtstruktur auf eine kreisringförmige Linie gegeben ist, führt eine leicht konkave optische Grenzfläche einer Facette zu einer Fokusverschiebung der entsprechenden Lichtstruktur nach hinten, d. h. an einen Ort, der weiter von der Lichtausgangsseite des optischen Ablenkungselements beabstandet ist als die genannte kreisringförmige Linie.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 9 weist der Grundkörper die äußere Form eines Zylinders, insbesondere eines Kreiszylinders, auf. Das beschriebene optische Ablenkungselement kann somit beispielsweise aus einer sog. Stablinse gefertigt werden.
Der Grundkörper des optischen Ablenkungselements besteht vorzugsweise zumindest teilweise aus einem Material, welches einen hohen Brechungsindex aufweist. Dies gilt insbesondere für eine Wellenlänge von ungefähr 405 nm. Dies hat den Vorteil, dass kohärentes Licht von üblichen Halbleiter-Laserdioden besonders stark aufgefächert werden kann. Außerdem hat Licht mit dieser im optischen Spektrum vergleichsweise kurzen Wellenlänge eine deutlich geringere Eindringtiefe in die menschliche Haut als langwelligeres Licht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 10 weist die Lichteingangsseite eine konvexe Krümmung auf. In diesem Zusammenhang bedeutet konvexe Krümmung dass die Lichteingangsseite ebenfalls eine Kontur aufweist, die in Bezug auf den Grundkörper nach außen gewölbt ist. Dies bedeutet im Falle einer gewöhnlichen kugeloberflächenartigen Kontur, dass der Krümmungsmittelpunkt der entsprechenden Kugeloberfläche in Bezug auf die Lichteingangsseite auf der Seite des Grundkörpers liegt.
Die konvexe Krümmung hat den Vorteil, dass infolge der Brechung des an der Lichteingangsseite in den Grundkörper ein tretenden primären Lichtstrahlenbündels das primäre Lichtstrahlenbündel abhängig von der Stärke der Krümmung fokussiert wird. Dabei kann die Krümmung der Lichteingangsseite an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Im Falle der Projektion der Lichtstrukturen auf die Innenwand eines zumindest annähernd zylindrischen Hohlraums kann die Fokussierung so eingestellt werden, dass die Lichtstrukturen scharfe und möglichst feine Beleuchtungslinien an der Innenwand des zu vermessenden Hohlraums darstellen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 11 weist die Lichteingangsseite einen gekrümmten ersten ringförmigen Abschnitt und zumindest einen gekrümmten zweiten ringförmigen Abschnitt auf. Dabei können die jeweiligen Oberflächen unabhängig voneinander eine konkave oder eine konvexe Oberfläche aufweisen.
Ebenso wie die oben beschriebene individuelle Krümmung der ringförmigen Abschnitte an der Lichtausgangsseite hat die individuelle Krümmung der einzelnen ringförmigen Abschnitte an der Lichteingangsseite den Vorteil, dass die Lichtstrahlen, die aus den verschiedenen konusförmigen Facetten austreten, individuell fokussiert werden können. Dabei führt eine konvexe optische Grenzfläche einer Facette zu einer leichten Fokussierung der entsprechenden Lichtstruktur. Sofern auch ohne konvexe Grenzfläche eine Fokussierung der Lichtstruktur auf eine kreisringförmige Linie gegeben ist, führt eine leicht konkave optische Grenzfläche einer Facette zu einer Fokusverschiebung der entsprechenden Lichtstruktur nach hinten, d. h. an einen Ort, der weiter von der Lichtausgangsseite des optischen Ablenkungselements beabstandet ist als die genannte kreisringförmige Linie.
Die individuelle Krümmung der einzelnen ringförmigen Abschnitte an der Lichteingangsseite kann im Vergleich zu der individuellen Krümmung der ringförmigen Abschnitte an der Lichtausgangsseite durch herkömmliche Bearbeitungsmethoden wie beispielsweise ein mechanisches Drehen, ein Pressen oder ein Heißprägen wesentlich einfacher hergestellt werden. Dies liegt daran, dass die Lichteingangsseite im Vergleich zu der Lichtausgangsseite eine wesentlich einfachere Topologie bzw. Oberflächenstruktur aufweist, so dass die entsprechenden Krümmungen leichter ausgebildet werden können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 12 weist der Grundkörper eine Durchgangsöffnung auf, die sich koaxial zu der optischen Achse erstreckt.
Dies schafft die Möglichkeit, dass eine Beobachtungsoptik bzw. eine Kamera durch das optische Ablenkungselement hindurch geführt werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das optische Ablenkungselement für ein kompakt aufgebautes optisches Messinstrument verwendet wird, mit dem durch die räumliche Vermessung von Beleuchtungslinien, die an die Innenwand eines Hohlraums projiziert werden, die Größe und/oder die Form des Hohlraums vermessen wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 13 ist die Durchgangsöffnung eine Kernbohrung, welche die Form eines zu der optischen Achse konzentrisch angeordneten Zylinders aufweist.
Die beschriebene Kernbohrung hat den Vorteil, dass das optische Ablenkungselement auf besonders einfache und damit auf Kosten sparende Weise hergestellt werden kann.
Mit dem Patentanspruch 14 wird eine optische Messvorrichtung zum dreidimensionalen Vermessen eines in einem Objekt ausgebildeten Hohlraums, insbesondere zum dreidimensionalen Vermessen des Gehörgangs eines menschlichen oder tierischen Lebewesens beschrieben. Die optische Messvorrichtung weist auf (a) eine Lichtquelle, eingerichtet zum Aussenden von Beleuchtungslicht entlang eines Beleuchtungsstrahlengangs, (b) ein optisches Ablenkungselement der oben beschriebenen Art, welches das ausgesendete Beleuchtungslicht räumlich derart strukturiert, dass an der Innenwand zumindest eine um die optische Achse des Ablenkungselements umlaufende Beleuchtungslinie erzeugt wird, deren Form von der Größe und der Form des Hohlraums abhängt, und (c) eine Kamera, welche über einen Abbildungsstrahlengang die zumindest eine Beleuchtungslinie unter einem Triangulationswinkel erfasst.
Der genannten optischen Messvorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine zylindersymmetrisch strukturierte Beleuchtung, die auf die Innenwand des zu vermessenden Hohlraums projiziert wird, auf einfache Weise unter Verwendung eines modifizierten Triangulationsverfahrens eine dreidimensionale (3D) Vermessung des Hohlraums realisiert werden kann. Dabei wird die Form der zumindest einen Beleuchtungslinie von der Kamera erfasst, die bevorzugt symmetrisch zu der optischen Achse ein zweidimensionales (2D) Bild von den dem Projektionsring oder von den Projektionsringen aufnimmt. Anhand der Abweichungen bzw. Verzerrungen der erfassten Beleuchtungslinie von symmetrischen, zu der optischen Achse konzentrischen Kreisformen kann die Innenwand des Hohlraums in 3D vermessen werden.
Die beschriebene optische Messvorrichtung hat gegenüber dreidimensionalen Abstandssensoren, bei denen jeweils nur ein Messpunkt beleuchtet und die Höhenposition des beleuchteten Messpunkts erfasst wird, den Vorteil, dass quasi gleichzeitig (automatisch) eine Vielzahl von Messpunkten vermessen werden, die um die optische Achse herum angeordnet sind. Auf diese Weise ergibt sich insgesamt eine erheblich erhöhte Abtastgeschwindigkeit.
Bevorzugt werden mehrere Beleuchtungsstrukturen erzeugt, wobei jede der erzeugten Beleuchtungsstrukturen jeweils die Form eines Kegelmantels aufweist. Auf diese Weise kann die Anzahl der gleichzeitig mittels eines einzigen Kamerabildes erfassbaren Messpunkte weiter erhöht werden.
Bei einem zylinderförmigen Hohlraum, der sich symmetrisch um die optische Achse der optischen Messvorrichtung herum erstreckt, ergeben sich Beleuchtungsringe, die konzentrisch zu der optischen Achse ausgebildet bzw. angeordnet sind. Bei einem zylinderförmigen Hohlraum, der sich um eine Zylinderachse herum erstreckt, die relativ zu der optischen Achse der optischen Messvorrichtung einen Parallelversatz aufweist, ergeben sich verzogene Beleuchtungslinien, die in Bezug auf die optische Achse eine elliptische Form aufweisen. Dabei sind benachbarte Beleuchtungslinien in einem ersten Wandbereich der Innenwand, der weiter von der optischen Achse entfernt ist als ein zweiter Wandbereich, weiter voneinander beabstandet. Dies liegt daran, dass aufgrund der kegelförmigen Auffächerung der einzelnen Beleuchtungsstrukturen benachbarte Beleuchtungslinien mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse weiter voneinander beabstandet sind. Somit wird deutlich, dass sowohl die Abweichung der 3D Form der von der Kamera erfassten Beleuchtungslinien von einer idealen Kreisform als auch die Beabstandung benachbarten Beleuchtungslinien Informationen über die 3D Kontur des Hohlraums liefern.
An dieser Stelle wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass bereits eine Beleuchtungsstruktur bzw. eine ggf. verformte Beleuchtungslinie eine 3D Information bezüglich der Größe und der Form des zu vermessenden Hohlraums beinhaltet. Trotzdem ist es insbesondere aus Gründen der Messgeschwindigkeit und der räumlichen Auflösung vorteilhaft, das von der Lichtquelle ausgesendete Beleuchtungslicht in eine Mehrzahl von kegelförmig aufgeweiteten Beleuchtungsstrukturen zu strukturieren.
Die Erfassung der Beleuchtungslinien unter einem Triangulationswinkel bedeutet, dass der Strahlengang des Abbildungslichts mit dem Strahlengang des Beleuchtungslichts, d. h. mit dem jeweiligen Öffnungswinkel der kegelförmigen Beleuchtungsstruktur, einen von 0° verschiedenen Winkel einschließt.
Dieser Winkel wird als Triangulationswinkel bezeichnet. Je größer dieser Triangulationswinkel ist, desto höher ist die Genauigkeit der 3D Positionsbestimmung.
Die beschriebene optische Messvorrichtung hat den Vorteil, dass zur 3D Vermessung innerhalb der Messvorrichtung keine bewegten Teile und insbesondere keine bewegten optischen Komponenten erforderlich sind. Dies bedeutet, dass die optische Messvorrichtung vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden kann und dass ferner die Zuverlässigkeit der Messvorrichtung auch unter realen Einsatzbedingungen sehr hoch ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass zur Vermessung von größeren Hohlräumen die gesamte Messvorrichtung bevorzugt entlang der optischen Achse verschoben werden kann. Die bei einer derartigen Bewegung aufgenommenen Teilbilder können mittels geeigneter Bildverarbeitungsmethoden wieder zusammengesetzt werden. Ein derartiges Zusammensetzten wird häufig auch als "stitching" bezeichnet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 15 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich eine Auswerteeinheit auf, welche der Kamera nachgeschaltet ist und welche derart eingerichtet ist, dass durch eine Bildverarbeitung der von der Kamera erfassten zumindest einen Beleuchtungslinie die Größe und die Form zumindest eines Teils des Hohlraums automatisch bestimmbar ist.
Die beschriebene Auswerteeinheit ermöglicht somit auf vorteilhafte Weise eine automatische Bildauswertung der von der Kamera erfassten 2D Bilder, so dass als Ausgabegröße der optischen Messvorrichtung direkt 3D Daten des vermessenen Hohlraums zur weiteren Datenverarbeitung bereit gestellt werden können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 16 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich eine Projektionsoptik auf, welche in dem Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass ggf. in Kombination mit einer geeigneten Krümmung der im wesentlichen konusförmigen Facetten der Lichtausgangsseite eine 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 optischen Ablenkungselement und der Innenwand ab. Somit sollte die Brennweite dieser Optik nicht nur von dem Design der beschriebenen optischen Messvorrichtung, sondern auch von der ungefähr zu erwartenden Größe des zu vermessenden Hohlraums abhängen.
Es wird darauf hingewiesen, dass auch die oben im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel des optischen Ablenkungselements beschriebene konvexe Krümmung der Lichteingangsseite des Grundkörpers qualitativ die gleiche Wirkung hat wie die hier beschriebene Projektionsoptik. Dasselbe gilt auch für die Krümmungen der im wesentlichen konusförmigen Facetten an der Lichtausgangsseite.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 17 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich einen in der optischen Achse des Ablenkungselements in einem schrägen Winkel angeordneten Strahlteiler auf. Dieser Strahlteiler lenkt den Beleuchtungsstrahlengang derart um, dass entweder (a) ein objektseitiger Abschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs parallel zu der optischen Achse verläuft oder (b) ein bildseitiger Abschnitt des Abbildungsstrahlengangs winklig zu der optischen Achse verläuft.
In diesem Zusammenhang bedeutet schräger Winkel, dass der Strahlteiler in einem Winkel ungleich von 0° und ungleich von 90° in Bezug auf die optische Achse angeordnet ist. Bevorzugt ist der Strahlteiler in einem Winkel von 45° zur optischen Achse geneigt, so dass der Beleuchtungsstrahlengang oder der Abbildungsstrahlengang einen Knick von 90° aufweist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 18 ist zumindest ein Abschnitt des Beleuchtungsstrahlengangs, in dem das Beleuchtungslicht parallel zu der optischen Achse geführt ist, um den mittig in der optischen Achse verlaufenden Abbildungsstrahlengang herum ausgeformt.
Dabei kann der Beleuchtungsstrahlengang in einem Querschnitt zur optischen Achse ringsymmetrisch, d. h. konzentrisch um die optische Achse bzw. den Abbildungsstrahlengang herum angeordnet sein. Dies bedeutet, dass ein zu der optischen Achse konzentrischer Beleuchtungsstrahl auf das optische Ablenkungselement trifft, welches ebenfalls symmetrisch zu der optischen Achse ausgebildet ist. Als optisches Ablenkungselement eignet sich beispielsweise das oben beschriebene refraktive optische Ablenkungselement, welches eine Kernbohrung aufweist.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang teilweise auch koaxial verlaufen können. Für die auf dem Prinzip der Triangulation beruhende 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 Aufspaltung von Beleuchtungsstrahlengang und Abbildungsstrahlengang kann beispielsweise durch geeignete Strahlteiler oder durch einen Lichtwellenleiter erfolgen, dessen objektseitiges Ende in zwei räumlich getrennte Teilenden aufgespalten ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 19 weist die optische Messvorrichtung zusätzlich eine Licht leitende Einrichtung auf, welche in dem Abbildungsstrahlengang angeordnet ist und welche zum Übertragen eines zweidimensionales Bildes der Beleuchtungslinien hin zu der Kamera eingerichtet ist.
Als Licht leitende Einrichtung kann eine mechanisch relativ starre Stablinsenanordnung verwendet werden, wie sie beispielsweise bei Endoskopen eingesetzt wird. Als Licht leitende Einrichtung kann auch ein endoskopisches System auf der Basis einer Gradientenoptik verwendet werden, bei welcher sich der Brechungsindex in Abhängigkeit vom Radius ändert. Damit kann innerhalb der Licht leitenden Einrichtung eine Krümmung der Lichtstrahlen erzielt werden, so dass im Ergebnis die Kamera Abbildungsstrahlen aus einem weiten Winkelbereich erfassen kann.
Für die Licht leitende Einrichtung kann ferner eine so genannte Hopkins Optik verwendet werden, welches ebenfalls eine mechanisch weitgehend starre optische Anordnung ist. Eine Hopkins Optik kann beispielsweise eine Art Glasröhre sein, in der Linsen aus Luft eingefügt sind, so dass eine besonders detaillierte Einsicht bei endoskopischen Untersuchungen ermöglicht wird. Dieser Vorteil der besonders detaillierten Einsicht führt auch bei der beschriebenen optischen 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 optische Messvorrichtung in einer zumindest teilweise flexiblen Bauweise realisiert werden kann. Dies ermöglicht auch bei gekrümmten Hohlräumen, in die eine starre Messvorrichtung nicht eingebracht werden kann, eine genaue Hohlraumvermessung.
Mit dem Patentanspruch 20 wird ein Verfahren zum Erzeugen eines konzentrisch aufgefächerten, räumlich strukturierten Lichtstrahlenbündels beschrieben. Das Verfahren weist folgenden Schritt auf: Aussenden eines primären Lichtstrahlenbündels auf ein oben beschriebenes optisches Ablenkungselement, so dass das primäre Lichtstrahlenbündel an der Lichteingangsseite in den Grundkörper des optischen Ablenkungselements eintritt und als sekundäres Lichtstrahlenbündel an der Lichtausgangsseite aus dem Grundkörper austritt. Dabei weist das sekundäre Lichtstrahlenbündel zumindest eine kegelmantelförmige Lichtstruktur auf.
Dem genannten Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung des oben beschriebenen refraktiven optischen Ablenkungselements im Vergleich zur Verwendung von bekannten diffraktiven optischen Ablenkungselementen auf besonders einfache Weise eine breite Auffächerung des sekundären Lichtstrahlenbündels realisiert werden kann. Eine breite Auffächerung bedeutet, dass die entsprechenden Kegelmäntel einen großen Öffnungswinkel aufweisen.
Sofern die Lichtausgangsseite des Grundkörpers mehrere ringförmige Abschnitte mit unterschiedlich geneigten im wesentlichen konusförmigen Facetten aufweist, können die entsprechenden Kegelspitzen der aufgefächerten Lichtkegel in einem reellen Quellpunkt zusammen fallen, welcher Quellpunkt auf der optischen Achse liegt. In diesem Zusammenhang bedeutet reeller Quellpunkt, dass die Beleuchtungsstrukturen zumindest annähernd von einem auf der optischen Achse befindlichen Quellpunkt ausgehen.
Sofern der Grundkörper, wie oben in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben, eine Durchgangsöffnung bzw. eine Kernbohrung aufweist, tritt das sekundäre Lichtstrahlenbündel aus zumindest einem kreisringförmigen Abschnitt aus, der konzentrisch um die optische Achse angeordnet ist. Auch in diesem Fall kann die entsprechende Kegelspitze als reeller Quellpunkt des kegelmantelförmig aufgefächerten sekundären Lichtstrahlenbündels verstanden werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
1a zeigt eine Querschnittsansicht einer optischen Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1b zeigt ein Kamerabild mit vier Bildern von an die Innenwand eines zu vermessenden Hohlraums projizierten Beleuchtungslinien.
1c zeigt eine Frontansicht des objektseitigen Endes der in 1a dargestellten optischen Messvorrichtung.
2 zeigt die am objektseitigen Ende der in 1a dargestellten optischen Messvorrichtung ausgebildeten Strahlengänge des Beleuchtungslichts und des Abbildungslichts, welche Strahlengänge den Triangulationswinkel bestimmen.
3 zeigt eine Simulation der refraktiven Erzeugung einer einzelnen kegelmantelförmigen Lichtstruktur.
4a zeigt eine perspektivische Darstellung eines optischen Ablenkungselements, welches zwei konusförmige Facetten aufweist.
4b zeigt eine Konstruktionszeichnung für das in 4a dargestellte optische Ablenkungselement.
4c zeigt eine Simulation der refraktiven Erzeugung zweier kegelmantelförmiger Lichtstrukturen mittels des in 4a dargestellten optischen Ablenkungselementes.
5 zeigt eine Simulation der refraktiven Erzeugung dreier kegelmantelförmiger Lichtstrukturen, die durch ein optisches Ablenkungselement mit drei konusförmige Facetten erzeugt werden.
6 zeigt ein optisches Ablenkungselement, bei dem die ringförmigen Abschnitte an der Lichtausgangsseite jeweils eine konvexe Krümmung aufweisen.
7 zeigt ein optisches Ablenkungselement, bei dem die Lichteingansseite zwei gekrümmte ringförmige Abschnitte mit jeweils einer konvexe Krümmung aufweist.
An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass sich in der Zeichnung die Bezugszeichen von gleichen oder von einander entsprechenden Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden.
1a zeigt eine Querschnittsansicht einer optischen Messvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die optische Messvorrichtung 100 weist in Bezug auf eine optische Achse 117 eine zylindersymmetrische Form auf.
Die optische Messvorrichtung 100 weist eine Lichtquelle 110 auf, welche gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Laserdiode 110 ist. Selbstverständlich können auch andere Lichtquellen wie beispielsweise eine Leuchtdiode verwendet werden. Die Laserdiode 110 emittiert monochromatisches Beleuchtungslicht 111, welches auf eine Projektionsoptik 112 trifft, die den Beleuchtungsstrahl 111 aufweitet. Der aufgeweitete Beleuchtungsstrahl 111 trifft auf einen in einem Winkel von 45° in Bezug auf die optische Achse 117 orientierten Strahlteiler 113, so dass abhängig von dem Reflexionsvermögen des Strahlteilers 113 zumindest ein Teil des Beleuchtungslichts 111 in einen Hohlzylinder 115 eingekoppelt wird, welcher symmetrisch zu der optischen Achse 117 angeordnet ist. Um ein Einkoppeln des Beleuchtungslichts 111 in den zentralen Teil des Hohlzylinder 115 zu verhindern, ist zwischen dem Strahlteiler 113 und der Laserdiode 110 ein optisches Abschattungselement 114 angeordnet.
Das von dem Strahlteiler 113 umgelenkte Beleuchtungslicht wird von dem Hohlzylinder 115 in einem Beleuchtungsstrahlengang 116 geführt. Der Beleuchtungsstrahlengang 116 ist zylindersymmetrisch zur der optischen Achse 117 ausgebildet. An einem objektseitigen Ende der optischen Messvorrichtung 100 trifft das Beleuchtungslicht auf ein optisches Ablenkungselement 150, welches ebenfalls eine zylindersymmetrische Form aufweist und zylindersymmetrisch um die optische Achse 117 herum angeordnet ist. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das optische Ablenkungselement 150 ein optisch refraktives Element, welches nachfolgend anhand der 3, 4a und 4b näher erläutert wird.
Das optische Ablenkungselement 150 strukturiert das Beleuchtungslicht räumlich derart, dass konzentrisch zu der optischen Achse 117 mehrere Beleuchtungsstrukturen 122 entstehen, die jeweils die Form eines Kegelmantels 122 aufweisen und die auf die Innenwand eines zu vermessenden Hohlraums 125 proji ziert werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1a nur eine Beleuchtungsstruktur 122 dargestellt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Kamera 145 und die Laserdiode 110 können unter Verwendung eines entsprechenden Strahlteilers 113 auch vertauscht angeordnet werden. Als Strahlteiler kann beispielsweise eine transmissionsselektive Glasplatte verwendet werden, die in der Mitte innerhalb eines kleinen ellipsenförmigen Bereichs so verspiegelt ist, dass nicht der Laserstrahl sondern das Bild im Zentrum des Beleuchtungsstrahlengangs 116 ausgekoppelt wird.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zu vermessende Hohlraum ein Gehörgang 125 eines Patienten. Der Gehörgang 125 weist typischerweise einen Durchmesser d von ungefähr 4 mm auf.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Messvorrichtung 100 auch zur Vermessung anderer Hohlräume verwendet werden kann. So kann beispielsweise die dreidimensionale Form von Bohrlöchern genau vermessen werden, bevor exakt passende Nieten für eine besonders zuverlässige Nietverbindung, beispielsweise im Flugzeugbau, ausgewählt werden können.
Die Projektion der Beleuchtungsstruktur 122 auf die Innenwand des Hohlraums 125 ergibt eine geschlossene Beleuchtungslinie 128, deren Form von der Größe und der Form des Hohlraums 125 abhängt. Dabei hängt die Schärfe der Beleuchtungslinien 128 von der Fokussierung der Beleuchtungsstrukturen 122 auf die Innenwand ab. Aus diesem Grund kann die Brennweite der Projektionsoptik 112 so angepasst werden, das bei einer ungefähr zu erwartenden Größe des zu vermessenden Hohlraums an der Innenwand des Hohlraums scharfe Beleuchtungslinien 128 erzeugt werden.
Die Größe und die Form der einzelnen Beleuchtungslinien 128 werden von einer Kamera 145 erfasst. Dies erfolgt über ein von den Beleuchtungslinien 128 ausgehendes Abbildungslicht 130. Dieses Abbildungslicht 130 wird mittels einer Abbildungsoptik 132 eingesammelt, die eine besonders kurze Brennweite aufweist. Die Abbildungsoptik 132 kann aufgrund des extrem weiten Aufnahmewinkels auch als Fischauge bezeichnet werden.
Das von der Abbildungsoptik 132 eingesammelte Abbildungslicht 130 wird mittels einer Licht leitenden Einrichtung 135 zu dem bildseitigen Ende der optischen Messvorrichtung 100 geführt. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Licht leitende Einrichtung eine Stablinsenanordnung 135, die beispielsweise auch in der Medizintechnik in endoskopischen Geräten verwendet wird. Die zweite Abbildungsoptik kann einstückig mit der Stablinsenanordnung 135 ausgebildet sein, indem die entsprechende stirnseitige und dem Hohlraum zugewandte Grenzfläche einer entsprechenden Stablinse eine extrem starke Krümmung aufweist.
Die Stablinsenanordnung 135 weist eine Mehrzahl von einzelnen Stablinsen 135a auf, die zusammen eine Länge l von ungefähr 50 mm ergeben. Selbstverständlich kann die Stablinsenanordnung 135 auch eine beliebig andere Länge aufweisen. Die Stablinsenanordnung 135 kann auch eine so genannte Hopkins Linsenanordnung sein.
Die Stablinsenanordnung 135 definiert somit einen Abbildungsstrahlengang 136, welcher sich entlang der optischen Achse 117 hin zum bildseitigen Ende der optischen Messvorrichtung 100 erstreckt. Der Abbildungsstrahlengang 136 und der Beleuchtungsstrahlengang 116 sind jeweils zylindersymmetrisch zu der optischen Achse 117 angeordnet, wobei sich der Beleuchtungsstrahlengang 116 außerhalb des Abbildungsstrahlengangs 136 befindet.
Selbstverständlich ist auch eine Bauform der optischen Messvorrichtung denkbar, bei welcher Bauform der Abbildungsstrah lengang außerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs verläuft. In jedem Fall muss spätestens am objektseitigen Ende der Messvorrichtung 100 eine räumlich Trennung von Beleuchtungslicht 122 und Abbildungslicht 130 erfolgen, damit die projizierten Beleuchtungslinien 128 unter einem Triangulationswinkel erfasst werden können und somit die 3D Kontur des Hohlraums 125 bestimmt werden kann. Ein Triangulationswinkel ist immer dann gegeben, wenn die Beleuchtung, d. h. hier die Erzeugung der Beleuchtungslinien 128 unter einem anderen Winkel erfolgt als die Beobachtung, d. h. hier die Abbildung der Beleuchtungslinien 128 hin zu der Kamera 145.
Das in der Stablinsenanordnung 135 geführte Abbildungslicht 130 trifft auf den Strahlteiler 113. Der Strahlteiler wird von zumindest einem Teil des Abbildungslichts 130 lediglich mit einem gewissen Parallelversatz durchdrungen. Dieser Parallelversatz hängt dabei von der Dicke, von dem Brechungsindex sowie von der Winkelstellung des Strahlteilers 113 relativ zu der optischen Achse 117 ab. Der restliche Teil des Abbildungslichtes 130 wird an dem Strahlteiler reflektiert und trifft als Verlustlicht auf das optische Abschattungselement 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. 1b 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.
1c zeigt eine Frontansicht des objektseitigen Endes der optischen Messvorrichtung 100. Zu erkennen ist die Abbildungsoptik 132, die von dem optischen Ablenkungselement 150 umgeben ist.
2 zeigt in einer Querschnittsdarstellung die am objektseitigen Ende der optischen Messvorrichtung 100, die nun mit dem Bezugszeichen 200 versehen ist, ausgebildeten Strahlengänge des Beleuchtungslichts 222 und des Abbildungslichts 230. Für eine bestimmte Beleuchtungslinie 228, die in 1d dargestellt ist, ergibt sich in Bezug auf die optischen Achse 217 ein mittlerer Projektions- bzw. Beleuchtungswinkel β.
Das optische Ablenkungselement 250 weist einen mittleren Radialabstand r von der optischen Achse 217 auf. In entsprechender Weise ergibt sich für die dargestellte Beleuchtungslinie 228 in Bezug auf die optische Achse 217 ein Abbildungswinkel α. Dabei wird berücksichtigt, dass das Abbildungslicht 230 von der mittig auf der optischen Achse 217 angeordneten Abbildungsoptik 232 eingesammelt wird.
Der Triangulationswinkel θ ergibt sich aus der Differenz der beiden Winkel α und β (θ = α – β). Selbstverständlich hängt, wie aus 1d ersichtlich, dieser Triangulationswinkel θ auch von dem Längsabstand Δl ab. Dieser Längsabstand Δl ergibt sich aus dem Abstand parallel zur optischen Achse 217 zwischen dem Ablenkungselement 250 und der Abbildungsoptik 232.
3 zeigt eine Simulation der refraktiven Erzeugung einer einzelnen kegelmantelförmigen Beleuchtungsstruktur 322. Dabei tritt ein primäres Lichtstrahlenbündel 311 durch eine Lichteingangsseite 360 in den Grundkörper 352 des optischen Ablenkungselements 350. Die der Lichteingangsseite 360 gegenüber liegende Lichtausgangsseite 370 weist eine konusförmige Facette 371 auf, so dass in dem Grundkörper eine kegelförmige Aussparung ausgebildet ist. An der entsprechend in Bezug auf eine optische Achse 317 des Ablenkungselements 350 geneigten optischen Grenzfläche wird das in den Grundkörper eingedrungene Lichtstrahlenbündel zu der kegelmantelförmigen Beleuchtungsstruktur 322 aufgeweitet. An einer nicht dargestellten zylindrischen Innenfläche eines zu vermessenden Hohlraums entsteht somit eine Beleuchtungslinie 328.
Die 4a und 4b zeigen ein optisches Ablenkungselement 450, welches zwei konusförmige Facetten, eine in einem ersten ringförmigen Abschnitt ausgebildete erste konusförmige Facette 471 und eine in einem zweiten ringförmigen Abschnitt ausgebildete zweite konusförmige Facette 472, aufweist. 4a zeigt das optische Ablenkungselement 450 in einer perspektivischen Darstellung, 4b zeigt eine Konstruktionszeichnung des optischen Ablenkungselementes 450.
Das optische Ablenkungselement 450 weist einen im wesentlichen zylindrischen Grundkörper 452 auf, in dem eine Durchgangsöffnung 454 ausgebildet ist. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Grundkörper 452 einen Durchmesser von 3 mm und eine Länge von 3,65 mm auf. Die als Bohrung ausgebildete Durchgangsöffnung 454 weist einen Durchmesser von 1,3 mm auf. Selbstverständlich kann das Ablenkungselement 450 auch mit anderen Abmessungen realisiert werden.
Eine stirnseitige Lichteingangsseite 460 weist eine leichte konvexe Krümmung 465 mit einem Krümmungsradius von 30 mm auf. Diese Krümmung 465 stellt somit eine leicht fokussierende optische Grenzfläche für einen an der Lichteingangsseite 460 eintretendes primäres Lichtstrahlenbündel dar. Die konvex geformte Eingangs-Grenzfläche weist ebenso wie der gesamte Grundkörper 452 in Bezug auf die optische Achse 417 eine rotationssymmetrische Form auf.
Die der Lichteingangsseite 460 gegenüberliegende Lichtausgangsseite 470 weist eine konkave Kontur auf, die durch die beiden konusförmigen Facetten 471 und 472 bestimmt ist. Wie aus 4b ersichtlich, weist die zweite konusförmige Facette 472 in Bezug auf die optische Achse 417 eine radiale Dicke von 0,51 mm auf. Ferner ist die optische Grenzfläche der zweiten konusförmigen Facette 472 in Bezug auf die optische Achse 417 um einen Winkel von 105° geneigt. Die erste konusförmige Facette 472 ist in Bezug auf die optische Achse 417 um einen Winkel von 120,06° geneigt. Auch hier sind selbstverständlich andere Dimensionen und/oder Winkel möglich.
4c zeigt eine Simulation der refraktiven Erzeugung zweier kegelmantelförmiger Lichtstrukturen mittels des optischen Ablenkungselementes 450. Ein primäres Lichtstrahlenbündel 411 trifft parallel zu der optischen Achse 417 auf den Grundkörper 452 des Ablenkungselementes 450. Die in den 4a und 4b dargestellte Durchgangsbohrung 454 wird in der Simulation durch ein kreisförmiges Abschattungselement 454a berücksichtigt. Das Abschattungselement 454a ist konzentrisch zu der optischen Achse 417 angeordnet.
Die konkave Krümmung 465 der Lichteingangsseite 460 wird durch eine Sammellinse 465a simuliert, welche ebenfalls konzentrisch zu der optischen Achse 417 unmittelbar hinter dem Grundkörper 452 angeordnet ist. Die beiden konusförmigen Facetten 471 und 472 bewirken eine zylindersymmetrische Aufspaltung des primären Lichtstrahlenbündels 411 in ein sekundäres Lichtstrahlenbündel 422, welcher eine erste kegelmantelförmige Lichtstruktur 422a und eine zweite kegelmantelförmige Lichtstruktur 422b aufweist.
5 zeigt eine Simulation der refraktiven Erzeugung dreier kegelmantelförmiger Lichtstrukturen 522a, 522b und 522c, die durch ein optisches Ablenkelement 550 mit drei konusförmigen Facetten erzeugt werden. In der dargestellten Simulation trifft ein primäres Lichtstrahlenbündel 511 parallel zu einer optischen Achse 517 auf einen Grundkörper 552. Eine Durchgangsbohrung wird durch ein kreisförmiges Abschattungselement 554a simuliert, welches konzentrisch zu der optischen Achse 517 angeordnet ist.
Eine konkave Krümmung der Lichteingangsseite des optischen Ablenkungselementes 550 wird durch eine Sammellinse 565a simuliert, welche ebenfalls konzentrisch zu der optischen Achse 517 und unmittelbar hinter dem Grundkörper 552 angeordnet ist. Die drei konusförmigen Facetten bewirken eine zylindersymmetrische Aufspaltung des primären Lichtstrahlenbündels 511 in ein sekundäres Lichtstrahlenbündel 522, welcher die erste kegelmantelförmige Lichtstruktur 522a, die zweite kegelmantelförmige Lichtstruktur 522b und die dritte kegelmantelförmige Lichtstruktur 522c aufweist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die in den 3, 4c und 5 dargestellten Simulationen aus Gründen der besseren Darstellbarkeit der produzierten aufgeweiteten Lichtkegel nur zur Hälfte dargestellt sind. Im Rahmen der entsprechenden Simulationen wurde diese Halbierung der Darstellung durch die Verwendung einer in dem jeweiligen Strahlengang befindlichen geeigneten Rechteckblende erreicht.
6 zeigt ein optisches Ablenkungselement 650 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Ablenkungselement 650 weist ebenso wie die zuvor beschriebenen Ablenkungselemente einen Grundkörper 652 mit einer Kernbohrung 654 auf, die rotationssymmetrisch zu einer optischen Achse 617 ausgeformt sind. Die Lichteingansseite 660 weist eine plane Grenzfläche auf. Die Lichtausgangsseite 670 weist zwei symmetrisch zur optischen Achse 617 ausgeformte ringförmige Abschnitte, einen ersten ringförmigen Abschnitt 671 und einen zweiten ringförmigen Abschnitt 672, auf.
Es wird darauf hingewiesen, dass die ringförmigen Abschnitte 671 und 672 jeweils eine schwache Krümmung aufweisen, welche in 6 stark übertrieben dargestellt ist. Infolge des großen Krümmungsradius können die entsprechenden Oberflächekonturen nach wie vor als im wesentlichen konusförmige Facetten bezeichnet werden. Die Krümmung der im wesentlichen konusförmigen Facette 671 kann unterschiedlich zu der Krümmung der im wesentlichen konusförmigen Facette 672 sein. Damit können die Lichtstrahlen, die aus den verschiedenen leicht gekrümmten konusförmigen Facetten austreten, individuell fokussiert werden.
7 zeigt ein optisches Ablenkungselement 750 gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Ablenkungselement 750 weist ebenso einen Grundkörper 752 mit einer Kernbohrung 754 auf, die rotationssymmetrisch zu einer optischen Achse 717 ausgeformt sind. Im Gegensatz zu dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Lichteingansseite 760 eine strukturierte Oberflächenkontur auf, die zwei symmetrisch zur optischen Achse 717 ausgeformte ringförmige Abschnitte, einen ersten ringförmigen Abschnitt 761 und einen zweiten ringförmigen Abschnitt 762, umfasst. Die ringförmigen Anschnitte 771 und 772 an der Lichtausgangsseite weisen keine weiteren Krümmungen an den beiden konusförmigen Facetten auf.
Die Radien der einzelnen ringförmigen Abschnitte 761, 762, 771, 772 sind derart aufeinander abgestimmt, dass bei einer parallel zur optischen Achse 717 einfallenden Beleuchtung der erste ringförmige Abschnitt 761 dem ersten ringförmigen Abschnitt 771 und der zweite ringförmige Abschnitt 762 dem zweiten ringförmigen Abschnitt 772 zugeordnet ist. Damit können auch durch eine entsprechende Krümmung der ringförmigen Abschnitte 761 und 762 die Lichtstrahlen, die aus den verschiedenen konusförmigen Facetten 771 und 772 austreten, individuell fokussiert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die beiden in 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiele auch dahingehend miteinander kombiniert werden können, dass sowohl an der Lichteingangs- als auch an der Lichtausgangsseite die ringförmigen Abschnitte jeweils eine individuelle Krümmung aufweisen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- "Changhe Zhou, Jia Jia, Liren Liu; Circular Dammann Grating; Optics Letters, Vol. 28, No. 22, 2003, Seiten 2174–2176" [0006]

Claims

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