DE19742264A1 - Endoskop - Google Patents
EndoskopInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Endoskop mit einem länglichen Ge
häuse, das ein optisches Fenster aufweist, dem eine Umlenkein
richtung zugeordnet ist, mit einer Aufnahmevorrichtung zur
optischen Erfassung eines Objekts, und mit einer Beleuchtungs
einrichtung zur Beleuchtung des Objekts.
Im Bereich der industriellen Fertigung kommt mittlerweile der
Qualität des Produkts und damit der Qualitätsprüfung während
der Fertigung zunehmend größere Bedeutung zu. Die Sicherung,
Optimierung und Dokumentation der Qualität der erzeugten Pro
dukte setzt eine fortlaufende und vollständige Kontrolle des
Fertigungsprozesses voraus. Hierzu bedient man sich optischer
Prüfmethoden, bei denen Kameras den Fertigungsprozeß, d. h. die
Produkte optisch erfassen. Mit Hilfe von Bildverarbeitungs
programmen lassen sich die Daten der erfaßten Produkte mit ab
gespeicherten Referenzdaten vergleichen, um Abweichungen von
der Norm zu erkennen.
Der Nachteil dieser Prüfmethoden liegt insbesondere darin, daß
die berechneten Bilddaten keinen Aufschluß bspw. über den Ober
flächenverlauf des erfaßten Produkts liefern können, da die
Messung zweidimensional erfolgt. Diese zweidimensionale
Qualitätsprüfung genügt jedoch sehr häufig nicht den geforder
ten Ansprüchen, so daß zusätzlich Personal zur Durchführung von
Sichtprüfungen notwendig wird. Aufgrund des notwendigen Perso
naleinsatzes verschlechtert sich der Automatisierungsgrad und
damit gleichermaßen die Kostenstruktur.
Darüber hinaus müssen häufig Stellen an den Produkten geprüft
werden, die nicht ohne weiteres von außen für das Personal zu
gänglich sind. Die Verwendung von Spiegeln, Faser-basierten En
doskopen oder ähnlichen optischen Instrumenten läßt zwar die
Sichtprüfung unzugänglicher Stellen zu, allerdings ist die op
tische Qualität einer solchen Prüfung eingeschränkt, so daß
kleine Beschädigungen, Risse etc. nicht erkannt werden. Ins
besondere fehlen räumliche Informationen der untersuchten
Stellen, wie sie bei einer Sichtprüfung vorliegen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein
Endoskop zu schaffen, das eine dreidimensionale Erfassung von
Objekten bzw. Objekträumen auch an unzugänglichen Stellen er
möglicht.
Diese Aufgabe wird bei einem Endoskop gemäß der eingangs ge
nannten Art dadurch gelöst, daß die Umlenkeinrichtung eine
erste Umlenkfläche und eine zweite Umlenkfläche aufweist, daß
eine Mustererzeugungseinrichtung zur Projektion eines optischen
Musters über die zweite Umlenkfläche auf das Objekt vorgesehen
ist, und daß die Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des vom Ob
jekt reflektierten und von der zweiten Umlenkfläche umgelenkten
Lichtes ausgebildet ist, wobei eine Auswerte-Einrichtung zur
Bestimmung von dreidimensionalen Daten des Objektes aus dem
aufgenommenen Licht anschließbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen ge
löst.
Mit dem erfindungsgemäßen Endoskop wird es ermöglicht, mit
Hilfe bestimmter bekannter optischer Verfahren, beispielsweise
dem Phasenshift-Verfahren dreidimensionale Daten des Objektes
zu bestimmen. Es ist ein Gehäuse mit einer sehr geringen Quer
schnittsfläche realisierbar, das auch eine Prüfung von schwer
zugänglichen Stellen, beispielsweise Bohrungen in Gehäusen, er
möglicht. Durch die dreidimensionale Erfassung der Oberfläche
des Objektes wird eine Prüfung mit hoher Qualität ermöglicht.
Hierbei kann einerseits die Oberfläche des Objektes dreidimen
sional nachgebildet werden, um eine visuelle Beurteilung zu er
möglichen. Darüberhinaus können Abstandsmessungen und Dimensi
onsmessungen ausgeführt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zu
mindest die Mustererzeugungseinrichtung oder die Umlenkein
richtung verlagerbar angeordnet.
Die Verlagerbarkeit der Mustererzeugungseinrichtung hat den
Vorteil, daß das sogenannte Phasenshift-Verfahren, bei dem
mehrere Aufnahmen mit verschobenem Streifenmuster gemacht
werden, angewendet werden kann.
In zusätzlicher Weiterbildung dieser Ausführung ist ein Piezo
antrieb zur Verlagerung der Mustererzeugungseinrichtung oder
der Umlenkeinrichtung vorgesehen.
Die Verwendung eines Piezoantriebs hat den Vorteil, daß mit
hoher Präzision auch sehr kleine Verlagerungswege möglich
werden, wie dies bei dem Phasenshift-Verfahren notwendig ist.
Die komplizierte Anordnung von mechanischen Antrieben wird so
mit vermieden.
Die Verlagerbarkeit der Umlenkeinrichtung hat den Vorteil, daß
sich jener Bereich, auf den das Muster projiziert wird, aus
dehnen läßt, ohne die Vorrichtung selbst bewegen zu müssen.
Besonders flexibel läßt sich das System dann einsetzen, wenn
die Umlenkflächen der Umlenkeinrichtung zusätzlich kippbar oder
verschwenkbar angeordnet sind, wobei auch in diesem Fall ein
Piezoantrieb zum Einsatz kommen kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die
Mustererzeugungseinrichtung ein optisches Gitter, vorzugsweise
ein binäres Gitter, auf.
Mit Hilfe eines Gitters, insbesondere eines binären Gitters,
läßt sich ein Muster mit sinusförmigem Grauwertverlauf senk
recht zu den Linien erzeugen, was sich als vorteilhaft für die
Bildauswertung herausgestellt hat.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die
Mustererzeugungseinrichtung eine Flüssigkristallzelleneinheit
auf.
Mittels einer solchen Flüssigkristallzelleneinheit (LCD-Ein
heit) lassen sich in einfacher Art und Weise unterschiedliche
Muster erzeugen.
Der Vorteil liegt somit darin, daß die Flexibilität und die Er
fassungsqualität des erfindungsgemäßen Endoskops verbessert
werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die
Beleuchtungseinrichtung eine Leuchtdiode, einen Reflektor und
einen Kondensor auf.
Dies hat den Vorteil, daß bei geringem Energiebedarf ein hoher
Beleuchtungsgrad erzielbar ist, wobei die Beleuchtungseinrich
tung dennoch sehr klein baut.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die
Aufnahmeeinheit einen CCD-Sensor auf.
Dies hat den Vorteil, daß eine sehr kleine Baueinheit reali
sierbar ist, die in das Endoskop integriert werden kann, so daß
Qualitätseinbußen, die etwa durch Kopplung mit einer außerhalb
des Gehäuses angeordneten Kamera über Lichtwellenleiter auf
treten, vermieden werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das op
tische Fenster als Ausnehmung in einer Gehäusewandung ausge
bildet, wobei die Ausnehmung mittels einer lichtdurchlässigen
Platte, vorzugsweise einer Glasscheibe, abgedeckt ist, die
gegenüber der Gehäusewandung nach innen versetzt ist.
Hiermit erzielt man den Vorteil, daß einerseits die empfind
liche Umlenkeinrichtung sowie die Optik und die Aufnahmeein
richtung gegen ein Eindringen von Schmutzpartikeln geschützt
werden. Andererseits wird durch die nach innen versetzte Anord
nung verhindert, daß die lichtdurchlässige Platte, bspw. beim
Einbringen der Vorrichtung in einen schwer zugänglichen Hohl
raum, an Kanten verkratzt wird, was eine deutliche Beeinträch
tigung der optischen Erfassung zur Folge hätte.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Ge
häuse einen distalen Abschnitt und einen proximalen Abschnitt
auf, die lösbar miteinander verbunden sind, wobei zwischen bei
den Abschnitten Kontaktelemente zur elektrischen Verbindung
vorgesehen sind, und wobei die Aufnahmeeinheit, die Umlenkein
richtung, die Mustererzeugungseinrichtung und die Beleuchtungs
einrichtung in Längsrichtung hintereinander im distalen Ab
schnitt aufgenommen sind.
Der zweiteilige Aufbau des Gehäuses hat den Vorteil, daß das
Endoskop sehr einfach umgebaut werden kann, so daß die Flexibi
lität steigt.
Dabei ist der distale Abschnitt vorzugsweise starr ausgebildet.
Hierdurch wird ein sicherer Schutz der in distalen Abschnitten
aufgenommenen empfindlichen Einrichtungen, nämlich der Auf
nahmeeinheit, der Umlenkeinrichtung, der Mustererzeugungs
einrichtung und der Beleuchtungseinrichtung, gewährleistet. Der
proximale Abschnitt kann dagegen je nach gewünschtem An
wendungsfall flexibel oder starr ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine
Steuerungseinrichtung zur Verlagerung zumindest der Muster
erzeugungseinrichtung oder der Umlenkeinrichtung nach einem
ausgewählten Meßverfahren vorgesehen.
Dies hat den Vorteil, daß je nach Anwendungsfall das passende
Verfahren eingesetzt werden kann, wobei die Handhabung sehr
einfach bleibt.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung sind die
Mustererzeugungseinrichtung und die zweite Umlenkfläche zu
einer einzigen Einheit zusammengefaßt, die von einem Digital
Mirror Device (DMD) mit einer Vielzahl von auf einem Halb
leiterchip angeordneten Einzelspiegeln gebildet ist, wobei die
Einzelspiegel jeweils durch Anlegen einer Steuerspannung ver
kippbar sind.
Durch diese Maßnahme wird der Aufbau des Endoskops erheblich
vereinfacht, da die Funktion der Mustererzeugungseinrichtung
und der zweiten Umlenkfläche von einer einzigen Einheit über
nommen wird, die lediglich von einer Elektronik entsprechend
angesteuert werden muß.
Somit können mechanische Einheiten zur Verschiebung entweder
der Mustererzeugungseinrichtung oder der zweiten Umlenkfläche
vollständig vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die
Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Flüssigkristall
einheit oder des Digital Mirror Device (DMD) zur Erzeugung
eines Musters, das aus einer Vielzahl von unterschiedlichen
Mustern auswählbar ist, ausgebildet.
Hiermit erreicht man den Vorteil, daß speziell an das zu er
fassende Objekt angepaßte Muster verwendbar sind, ohne Ein
griffe an der Mustererzeugungseinrichtung vornehmen zu müssen.
Mithin ist eine Verbesserung der Erfassungsqualität möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach
stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der
vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs
beispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungs
gemäßen Vorrichtung,
Fig. 2a-d
unterschiedliche Aufnahmen eines auf das zu ver
messende Objekt projizierten Streifenmusters,
Fig. 3 ein aus den aufgenommenen Streifenmustern gemäß Fig.
2 erstelltes Phasenbild, und
Fig. 4 eine dreidimensionale Flächendarstellung des aufge
nommenen Objekts.
In Fig. 1 ist ein Endoskop, das zur optischen dreidimensionalen
Erfassung von Objekten bzw. deren Oberflächen dient, insgesamt
mit der Ziffer 2 bezeichnet.
Das Endoskop 2 umfaßt ein längliches Gehäuse 9, das einen
distalen Abschnitt 10 und einen proximalen Abschnitt 11 auf
weist, die mittels eines Befestigungselements 7 lösbar mitein
ander verbunden sind. Im distalen Abschnitt 10 ist ein Sensor
kopf 3 aufgenommen, während der proximale Abschnitt 11 als
Griffteil 5 ausgebildet ist.
Der distale Abschnitt 10 des Gehäuses 9 ist rohrförmig ausge
bildet, mit einem vorzugsweise viereckigen oder kreisrunden
Querschnitt. Der distale Abschnitt 10 des Gehäuses 9 ist starr
ausgebildet und vorzugsweise aus Metall gefertigt.
Der proximale Abschnitt 11 des Gehäuses 9, der als Griffteil 5
ausgebildet ist, weist einen dem distalen Abschnitt angepaßten
Querschnitt auf, wobei die Querschnittsflächen nicht not
wendigerweise übereinstimmen müssen. Der proximale Abschnitt 11,
der das Griffteil 5 bildet, ist je nach Anwendungsfall
starr oder flexibel und biegsam in Form eines Schlauchs ausge
bildet.
Der distale Abschnitt 10 nimmt eine Aufnahmeeinheit 13, eine
Umlenkeinrichtung 15 sowie eine Projektionseinrichtung 17 auf.
Die Aufnahmeinheit 13 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
am proximalen Ende 19 des Sensorkopfs 3 angeordnet, während die
Projektionseinrichtung 17 am gegenüberliegenden distalen Ende
21 liegt. Zwischen der Aufnahmeeinheit 13 und der Projektions
einrichtung 17 ist die Umlenkeinrichtung 15 vorgesehen.
Die Aufnahmeeinheit 13 weist ein Objektiv 23 und einen Licht
sensor 25 in Form eines CCD-Sensors auf. Das Objektiv 23 und
der CCD-Sensor 25 liegen innerhalb des distalen Abschnittes 10
in Längsrichtung gesehen hintereinander, wobei das Objektiv 23
der Umlenkeinrichtung 15 zugewandt ist.
Die Umlenkeinrichtung 15 weist zwei Spiegeleinheiten 27a und
27b auf, die auf einer Trägerplatte 29 angeordnet sind. Die
Spiegeleinheit 27a weist eine ebene Spiegelfläche 31a auf, die
in einem Winkel von 45° zu der Längsachse 33 des Sensorkopfs 3
liegt und dem Objektiv 23 zugewandt ist. Die Spiegeleinheit 27b
weist ebenfalls eine ebene Spiegelfläche 31b auf, die mit der
Längsachse 33 einen Winkel von 30° einschließt und der
Projektionseinrichtung 17 zugewandt ist. Zumindest die
Spiegeleinheit 27b ist mittels eines Antriebs in Längsrichtung
verlagerbar. Als Antrieb wird vorzugsweise ein Piezoantrieb 79
verwendet, der beispielsweise an die Trägerplatte 29 gekoppelt
sein könnte, die dann zweigeteilt mit einem festen, der Auf
nahmeeinheit 13 zugewandten Teil und einem beweglichen Teil zum
Antrieb der Spiegeleinheit 27b ausgebildet ist.
In einem den beiden Spiegelflächen 31a, 31b zugewandten Längs
abschnitt 35 des distalen Abschnittes 10 des Gehäuses 9 ist ein
optisches Fenster 37 vorgesehen. Dieses optische Fenster 37 ist
als Durchbruch in der Wandung des Gehäuses 9 ausgebildet, wobei
ein lichtdurchlässiges Element 39 die Ausnehmung abdeckt. Fig.
1 läßt deutlich erkennen, daß das lichtdurchlässige Element
gegenüber der Wandung des Gehäuses nach innen, d. h. zur Längs
achse 33 hin versetzt angeordnet ist. Bei dem lichtdurch
lässigen Element handelt es sich vorzugsweise um eine
Glasplatte, die an die Form des Gehäuses angepaßt ist. Das
optische Fenster 37 wird so groß gewählt, daß es im gesamten
Projektionsbereich der beiden Spiegelflächen 31a, 31b liegt.
Die Projektionseinrichtung 17 umfaßt eine aus zumindest einer
optischen Linse bestehende Optik 41, die mittels einer
Halterung 42 beabstandet zu der Innenwandung des Gehäuses 9
symmetrisch zur Längsachse 33 gehalten wird. Des weiteren um
faßt die Projektionseinrichtung 17 ein senkrecht zur Längsachse
33 angeordnetes optisches Gitter sowie eine Beleuchtungseinheit
45. Optik 41, optisches Gitter 43 und Beleuchtungseinheit 45
sind in Längsrichtung gesehen hintereinander angeordnet, wobei
die Optik 41 der Umlenkeinrichtung 15 und dort der zweiten
Spiegeleinheit 27b zugewandt ist.
Die Beleuchtungseinheit 45 weist eine LED, vorzugsweise eine
Power-LED 47, einen Kondensor 49 sowie einen Reflektor 51 auf.
Der Reflektor 51 dient gleichzeitig als Halterung für die
Power-LED 47 und den Kondensor 49, wobei beide Elemente
symmetrisch zur Längsachse 33 gehalten sind. Die reflektierende
Fläche des Reflektors 51 ist zu der Umlenkeinrichtung 15 ausge
richtet, so daß die von der Power-LED ausgehende Strahlung im
wesentlichen in Richtung der Spiegeleinheit 27b verläuft.
Das optische Gitter 43 weist ein binäres Streifenmuster mit
einem Gitterabstand d auf. Dieses binäre Gitter ist senkrecht
zur Längsachse 33 vorzugsweise mittels eines Piezoantriebs
schrittweise verlagerbar, wobei die Schrittweite einem Bruch
teil des Gitterabstands d, beispielsweise einem Viertel (d/4)
entspricht.
Das optische Gitter 43 kann in einer bevorzugten
Ausführungsform als LCD-Einheit ausgebildet sein. Mit einer
solchen LCD-Einheit lassen sich die unterschiedlichsten Muster,
d. h. neben binären Streifenmustern auch kreisförmige oder
andersförmige Muster erzeugen. Die Verschiebung senkrecht zur
Längsachse 33 des Musters läßt sich bei einer LCD-Einheit ohne
Verlagerung derselben erreichen, indem einfach ein neues Muster
generiert wird, das um die gewünschte Schrittweite gegenüber
dem vorhergehenden Muster verschoben ist.
Der distale Abschnitt 10 des rohrförmigen Gehäuses 9 des
Sensorkopfs 3 ist an seinem dem Griffteil 5 abgewandten Ende 21
mittels eines Deckels 53 verschlossen, der vorzugsweise abnehm
bar ist. Der Deckel 53 soll das Eindringen von Schmutz oder
anderen zu einer Beschädigung der Projektionseinrichtung 17
führenden Körpern verhindern. Am gegenüberliegenden proximalen
Ende 19 des distalen Abschnitts 10 ist eine ebenfalls abnehm
bare Abdeckung 55 vorgesehen. In diese Abdeckung 55 ist ein
Kontaktelement 57 integriert, das eine Vielzahl von - in Fig. 1
nur schematisch dargestellten - weiblichen Kontakten 59 auf
weist. Mit einzelnen dieser weiblichen Kontakte 59 sind die
elektrischen Einheiten, d. h. die Aufnahmeeinheit 13, die
Umlenkeinrichtung 15, das optische Gitter 43 sowie die
Power-LED 47 über elektrische Leitungen 61 verbunden. Die elek
trischen Leitungen 61 verlaufen innerhalb des Gehäuses 9 dicht
an der Gehäusewandung. Sie dienen einerseits zur Versorgung der
elektrischen Verbraucher mit Energie und andererseits zur Über
tragung von Steuer- und Datensignalen.
An dem dem proximalen Ende 19 des Sensorkopfs 3 gegenüber
liegenden distalen Ende 63 des Griffteils 5 ist ein Kontakt
element 65 vorgesehen, das eine Vielzahl von männlichen Kontak
ten 67 aufweist. An diesen Kontakten 67 sind elektrische
Leitungen 69 angeschlossen, die durch das Griffteil 5 nach
außen geführt sind. Selbstverständlich ist es auch denkbar, an
dem proximalen Ende des Griffteils 5 ebenfalls ein Kontakt
element vorzusehen, so daß die elektrische Verbindung von außen
über ein Steckkontaktelement erfolgen kann.
Die Leitungen 69 sind mit einer Steuereinheit 71 verbunden, die
ihrerseits mittels einer Leitung 73 mit einer Bild
verarbeitungseinheit 75 verbunden ist. An dieser Bild
verarbeitungseinheit 75 ist ein Monitor 77 angeschlossen. Vor
zugsweise sind Steuereinheit 71, Bildverarbeitungseinheit 75
und Monitor 77 in Form eines Computers zusammengefaßt.
Eine Verbindung der Leitung 69 im Griffteil 5 mit den
Leitungen 61 im Sensorkopf 3 wird über die beiden Kontakt
elemente 57, 65 erreicht, wenn Sensorkopf 3 und Griffteil 5 zu
sammengesteckt werden. Die Fixierung der beiden Teile 3, 5 er
folgt dann über das Befestigungselement 7.
Zur optischen Erfassung eines Objekts wird das Endoskop 2 wie
folgt betrieben:
Zunächst wird das Endoskop 2 positioniert, wobei das optische
Fenster 37 im Bereich der aufzunehmenden Fläche liegen muß. Mit
Hilfe der Aufnahmeeinheit 13 ist über die Spiegelfläche 31a der
Umlenkeinrichtung 15 der außerhalb des Gehäuses 9 liegende Be
reich über den Monitor 77 darstellbar, so daß eine Positionie
rung erleichtert und des weiteren auch dann möglich ist, wenn
der Benutzer keinen Sichtkontakt hat. Sofern das vorhandene
Licht nicht ausreicht, läßt sich beispielsweise über die
Steuereinheit 71 die Power-LED 47 einschalten, die das von der
Aufnahmeeinheit 13 erfaßte Gebiet über die Spiegelfläche 31b
ausleuchtet. Sofern das optische Gitter 43 als LCD-Einheit aus
gebildet ist, läßt sich die Projektion eines Streifenmusters
vermeiden, so daß die Darstellung am Monitor 77 hiermit nicht
beeinträchtigt wird. Über die Steuereinheit 71 ist die
LCD-Einheit entsprechend ansteuerbar.
Ist die richtige Position erreicht, wird über die Steuereinheit
71 der optische Erfassungsvorgang gestartet. Dieser Meßvorgang
hängt im wesentlichen von dem gewählten Meßverfahren ab, wobei
im folgenden beispielhaft das Phasenshift-Verfahren benutzt
wird. Grundsätzlich sind auch andere bekannte Verfahren zur Er
stellung dreidimensionaler Messungen an Objekten verwendbar.
Beim Phasenshift-Verfahren wird auf das zu erfassende Objekt
ein Streifenmuster projiziert, das einen sinusförmigen Licht
intensitätsverlauf senkrecht zu den projizierten Streifen auf
weist. Das Streifenmuster wird mit Hilfe der Power-LED 47 und
dem optischen Gitter 43 erzeugt, wobei die Spiegelfläche 31b
das durch die Optik 41 gebündelte Licht zum Objekt hin ablenkt.
Über die Steuereinheit 71 läßt sich die Spiegeleinheit 27b in
Längsrichtung verlagern, so daß hiermit eine nachträgliche
Feinpositionierung möglich ist, ohne das Endoskop 2 selbst zu
bewegen.
Wie bereits erwähnt, ist das optische Gitter 43 entweder als
binäres Gitter oder als LCD-Einheit ausgebildet. Im Falle des
binären Gitters wird der sinusförmige Lichtintensitätsverlauf
beispielsweise durch ein Tiefpaß-Filter oder durch ein
"Unscharfstellen" der Optik 41 erreicht. Je nach Ausführungs
form der LCD-Einheit ist mit dieser direkt ein sinusförmiger
Lichtintensitätsverlauf zu erzielen. Die notwendigen Steuer
signale zur Generierung des Musters in der LCD-Einheit liefert
die Steuereinheit 71, die beispielsweise einen Speicher umfaßt,
in dem unterschiedliche Muster abgelegt sind.
Das auf das Objekt projizierte Streifenmuster wird vom
CCD-Sensor 25 über die Spiegelfläche 31a erfaßt und als elek
trisches Signal über die Leitung 69 an die Steuereinheit 71
übertragen. Diese leitet das Bildsignal an die Bild
verarbeitungseinheit 75 weiter, wo die entsprechenden Bild
informationen gespeichert werden. In Fig. 2a ist beispielsweise
ein von der Aufnahmeeinheit 13 aufgenommenes Bild dargestellt.
Deutlich zu erkennen ist der ungleichmäßige Verlauf des
Streifenmusters, was auf unterschiedliche Tiefen, bzw. Höhen
der Oberfläche schließen läßt.
Da mittels einer Aufnahme noch keine Berechnung eindeutiger
Höhen- bzw. Tiefenwerte möglich ist, werden weitere Aufnahmen
gemacht, wobei das Streifenmuster jeweils um einen bestimmten
Wert senkrecht zur Streifenrichtung verschoben wird. Dieses
Verschieben des Streifenmusters erfolgt entweder durch Ver
lagern des optischen Gitters 43 über den Piezoantrieb oder
durch Verlagern der Spiegelfläche 31b, was ebenfalls über einen
Piezoantrieb möglich ist. Der Wert der Verlagerungsstrecke ent
spricht dem Quotienten aus dem Gitterabstand π und der Anzahl
der Aufnahmen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden ins
gesamt vier Aufnahmen gemacht, so daß die Verlagerungsstrecke
π/4 beträgt.
Im Falle einer LCD-Einheit als optisches Gitter ist keine
mechanische Verlagerung notwendig; vielmehr wird lediglich ein
neues Streifenmuster erzeugt, das gegenüber dem vorhergehenden
Streifenmuster um π/4 verschoben ist. Die Steuerung dieses Vor
gangs erfolgt automatisch über die Steuereinheit 71.
In den Fig. 2b-d sind die weiteren drei Aufnahmen mit je
weils verschobenem Streifenmuster dargestellt.
Mit Hilfe von bestimmten Algorithmen, auf die an dieser Stelle
nicht näher eingegangenen werden soll, da sie grundsätzlich be
kannt sind, wird aus diesen vier Aufnahmen ein sogenanntes
Phasenbild berechnet, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Bei
einem solchen Phasenbild treten bei ebenen Flächen senkrecht zu
den Linienstrukturen linear ansteigende oder abfallende Grau
wertverläufe mit Unstetigkeitsstellen im Abstand der Ort
frequenz, d. h. des Gitterabstands der Linienstruktur, auf.
Dieses Phasenbild wird anschließend demoduliert. Darunter ver
steht man das Auffinden von Phasensprüngen und das Zusammen
setzen der Grauwertverläufe des Phasenbildes zu einem kontinu
ierlichen, stetigen Ergebnisbild. Dieses Ergebnisbild ent
spricht dann einem schräg im Raum liegenden nicht kalibrierten
helligkeitscodierten Tiefenbild.
Dieses demodulierte Bild wird dann mit einem demodulierten Bild
einer Referenzebene in Beziehung gesetzt und mit einem Skalier
faktor multipliziert. Als Ergebnis wird ein helligkeits
codiertes Tiefenbild des erfaßten Objekts erzielt. In dieser
Darstellung sind Punkte, die in der gleichen Ebene liegen, mit
dem gleichen Grauwert dargestellt.
Zur besseren Darstellung wird dieses helligkeitscodierte
Tiefenbild in eine pseudo-dreidimensionale Flächendarstellung
umgesetzt und entsprechend Fig. 4 auf dem Monitor 77 angezeigt.
Die vorgenannten Bildverarbeitungsschritte werden dabei voll
ständig von der Bildverarbeitungseinheit 75 ausgeführt.
Gemäß einer Variante der Erfindung sind das binäre Gitter und
die zweite Umlenkfläche der Umlenkeinrichtung durch ein soge
nanntes Digital Mirror Device (DMD) ersetzt.
Ein solches DMD, das von Texas Instruments hergestellt und ver
trieben wird, umfaßt eine Vielzahl von auf einem Halbleiterchip
(SRAM-Chip) angeordneten Einzelspiegeln, die jeweils durch An
legen einer Steuerspannung in eine definierte Kipplage verkipp
bar sind. Auf einem solchen DMD mit einer Fläche von 13×15
mm2 sind beispielsweise 848×600 Speicherzellen vorgesehen, so
daß sich etwa eine halbe Million beweglicher Spiegel auf dem
DMD befindet. Die Spiegel sind individuell adressierbar, so daß
sich bei einer geeigneten Ansteuerung beliebige gewünschte
Muster erzeugen und in zeitlicher Folge verändern lassen.
Damit übernimmt das DMD die Funktion des binären Gitters und
der zweiten Umlenkfläche bzw. die Funktion einer LCD-Einheit in
Kombination mit der zweiten Umlenkfläche.
Im übrigen entspricht die Funktionsweise vollständig der zuvor
beschriebenen Ausführung. Das DMD könnte anstelle der zweiten
Umlenkfläche 31b mit dem optischen Fenster 37 ausgerichtet an
geordnet sein.
Das beschriebene Endoskop 2 ist in vielen technischen Gebieten
einsetzbar, wobei es vornehmlich zur Prüfung von Oberflächen
benutzt wird, die für den Benutzer nur schwer oder gar nicht
direkt sichtbar sind. Insbesondere können mit dem beschriebenen
Endoskop 2 Hohlräume untersucht werden.
Die Ausbildung und besondere Anordnung von Aufnahmeeinheit 13,
Umlenkeinrichtung 15 und Projektionseinrichtung 17 läßt die
Unterbringung in einem sehr kleinen rohrförmigen Gehäuse 9
(vorzugsweise mit einem Außendurchmesser von etwa 6-7 mm) zu.
Darüber hinaus ergibt sich durch die Verlagerbarkeit der Um
lenkeinrichtung 15 der Vorteil, daß beispielsweise auf einen
aufwendigen Antrieb zur Verlagerung des optischen Gitters 43
verzichtet werden kann. Darüber hinaus läßt sich das Streifen
muster exakt auf der gewünschten Stelle positionieren.
Mit Hilfe des Endoskops 2 lassen sich selbstverständlich auch
Abstandsmessungen durchführen, die mittels des Triangulations
verfahrens berechnet werden können. Das beschriebene Phasen
shift-Verfahren ist nur als Beispiel angegeben; selbstverständ
lich sind auch andere optische Meßverfahren einsetzbar. Es ist
beispielsweise denkbar, das Objekt durch Bewegen des Endoskops
aus unterschiedlichen Positionen aufzunehmen und aus diesen
Aufnahmen ein dreidimensionales Bild zu berechnen. Eine Ver
lagerung des Gitters ist dann nicht notwendig. Insbesondere die
Benutzung einer LCD-Einheit führt zu einem Endoskop 2, das mit
unterschiedlichen optischen Meßverfahren betrieben werden kann.
Claims (13)
1. Endoskop mit einem länglichen Gehäuse (9), das ein opti
sches Fenster (37) aufweist, dem eine Umlenkeinrichtung
(15) zugeordnet ist, mit einer Aufnahmeeinrichtung (13)
zur optischen Erfassung eines Objekts, und mit einer Be
leuchtungseinrichtung (45) zur Beleuchtung des Objekts,
dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtung (15)
eine erste Umlenkfläche (31a) und eine zweite Umlenkfläche
(31b) aufweist, daß eine Mustererzeugungseinrichtung (17;
41, 43, 45, 47) zur Projektion eines optischen Musters
über die zweite Umlenkfläche (31a) auf das Objekt vor
gesehen ist, und daß die Aufnahmeeinrichtung (13) zur Auf
nahme des vom Objekt reflektierten und von der zweiten Um
lenkfläche (31b) umgelenkten Lichtes ausgebildet ist, wo
bei eine Auswerte-Einrichtung (75) zur Bestimmung von
dreidimensionalen Daten des Objektes aus dem aufgenommenen
Licht anschließbar ist.
2. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest die Mustererzeugungs
einrichtung (43) oder die Umlenkeinrichtung (15) im Ge
häuse (9) verlagerbar angeordnet sind.
3. Endoskop nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen
Piezoantrieb (79) zur Verlagerung der Mustererzeugungs
einrichtung (43) oder der Umlenkeinrichtung (15).
4. Endoskop nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich
net, daß die Mustererzeugungseinrichtung (43) ein
optisches Streifengitter, vorzugsweise ein binäres Strei
fengitter umfaßt.
5. Endoskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mustererzeugungseinrichtung (43) eine Flüssig
kristall-Einheit umfaßt, die die Darstellung verschiedener
Muster zuläßt.
6. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (45) eine
Leuchtdiode (47), einen Reflektor (51) und einen Kondensor
(49) umfaßt.
7. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinheit (13) einen
CCD-Sensor (25) umfaßt.
8. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das optische Fenster (37) in der
Wandung des Gehäuses (9) ausgebildet ist, wobei die Aus
nehmung mittels einer lichtdurchlässigen Platte (39), vor
zugsweise einer Glasscheibe abgedeckt ist, die gegenüber
der Gehäusewandung nach innen versetzt ist.
9. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gehäuse (9) einen distalen Ab
schnitt (10) und einen proximalen Abschnitt (11) umfaßt,
die lösbar miteinander verbunden sind, wobei zwischen
beiden Abschnitten Kontaktelemente (57, 65) zur elektri
schen Verbindung vorgesehen sind, und wobei die Aufnahme
einheit (13), die Umlenkeinrichtung (15), die Muster
erzeugungseinrichtung (43) und die Beleuchtungseinrichtung
(45) in Längsrichtung hintereinander im distalen Abschnitt
(10) aufgenommen sind.
10. Endoskop nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der
distale Abschnitt (10) starr ausgebildet ist.
11. Endoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Steuerungseinrichtung (71) zur
Verlagerung zumindest der Mustererzeugungseinrichtung (43)
oder der Umlenkeinrichtung (15) nach einem ausgewählten
Meßverfahren vorgesehen ist.
12. Endoskop nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß die Mustererzeugungseinrichtung
und die zweite Umlenkfläche von einem Digital Mirror
Device (DMD) mit einer Vielzahl von auf einem Halbleiter
chip angeordneten Einzelspiegeln gebildet sind, wobei die
Einzelspiegel jeweils durch Anlegen einer Steuerspannung
verkippbar sind.
13. Endoskop nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerungseinrichtung (71) zur Ansteuerung der
Flüssigkristall-Einheit (43) oder des Digital Mirror
Device (DMD) zur Erzeugung eines Musters, das aus einer
Vielzahl von unterschiedlichen Mustern auswählbar ist,
ausgebildet ist.
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