DE102012108424A1 - Optical system for endoscopic applications, has image interface that is oriented parallel to object interface with surface geometry and is oriented orthogonally to optical axis of gradient index (GRIN) lens - Google Patents

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Christoph Orth
Moritz Krauß
Markus Kästner
Reitmeier Eduard
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INST MESS und REGELUNGSTECHNIK DER LEIBNIZ UNI HANNOVER
Institut fur Mess- und Regelungstechnik Der Leibniz Universitat Hannover
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INST MESS und REGELUNGSTECHNIK DER LEIBNIZ UNI HANNOVER
Institut fur Mess- und Regelungstechnik Der Leibniz Universitat Hannover
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Abstract

The system (1) has a GRIN lens (3) configured to use radial refractive index profile with respect to the optical axis (4). The GRIN lens is provided with an object side focal plane (7), object interface (8), remote-object-image plane (9), and an image interface (10). The object interface has a flat surface geometry, and is oriented orthogonally to the optical axis of the GRIN lens. The image interface is oriented parallel to the object interface with surface geometry and is oriented orthogonally to the optical axis of the GRIN lens.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System, insbesondere für endoskopische Anwendungen, bei dem mindestens eine GRIN-Optik mit zur optischen Achse radialem Brechzahlprofil eingesetzt ist, die GRIN-Optik eine objektseitige Objektgrenzfläche und eine objektferne Bildgrenzfläche aufweist, wobei die Objektgrenzfläche eine plane Oberflächengeometrie aufweist und orthogonal zu der optischen Achse der GRIN-Optik ausgerichtet ist.The invention relates to an optical system, in particular for endoscopic applications, in which at least one GRIN optics having a refractive index profile which is radial to the optical axis is used, the GRIN optic has an object-side object boundary surface and an image boundary surface remote from the object, wherein the object boundary surface has a planar surface geometry and is orthogonal aligned with the optical axis of the GRIN optic.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere für endoskopische Anwendungen, umfassend zumindest zwei optische Systeme.The invention further relates to a device, in particular for endoscopic applications, comprising at least two optical systems.

Ein optisches System umfassend eine Gradientenindexlinse, abgekürzt GRIN-Linse, ist aus der Druckschrift DE 10 2006 046 555 A1 bekannt. Gradientenindexlinsen, auch Gradientenlinsen oder Gradientenoptik oder GRIN-Optik genannt, nutzen die optischen Eigenschaften kontinuierlicher Materialübergänge. Sie sind üblicherweise als zylinderförmige, transparente optische Bauteile mit einem in radialer Richtung abnehmenden Brechungsindex ausgestaltet. Meist nimmt der Brechungsindex quadratisch mit dem Abstand zur Mitte ab (Parabelfunktion). Ein kurzer Stab aus einem solchen Material wirkt wie eine gewöhnliche Sammellinse, besitzt aber an den Lichtein- und Lichtaustrittsseiten plane Oberflächen. Das erleichtert die Montage, die Miniaturisierung und die Verbindung mit nachfolgenden optischen Elementen. Die flache Oberfläche solcher Linsen stellt insbesondere bei der Ankopplung an Lichtwellenleiter einen Vorteil gegenüber konventionellen Linsen dar. GRIN-Linsen kommen häufig bei Anwendungen zum Einsatz, die zahlreiche optische Elemente auf kleinem Raum erfordern. Beispiele sind Fotokopierer, Scanner oder Endoskope.An optical system comprising a Gradientenindexlinse, abbreviated GRIN lens, is from the document DE 10 2006 046 555 A1 known. Gradient index lenses, also called gradient lenses or gradient optics or GRIN optics, use the optical properties of continuous material transitions. They are usually designed as cylindrical, transparent optical components with a decreasing in the radial direction refractive index. In most cases, the refractive index decreases quadratically with the distance to the center (parabolic function). A short rod made of such a material acts like an ordinary converging lens, but has flat surfaces at the light input and light exit sides. This facilitates assembly, miniaturization and connection with subsequent optical elements. The flat surface of such lenses is an advantage over conventional lenses, especially when coupled to optical fibers. GRIN lenses are often used in applications that require numerous optical elements in a small space. Examples are photocopiers, scanners or endoscopes.

In vielen Bereichen der Technik ist es wichtig, genauere Kenntnisse über die Beschaffenheit von Oberflächen zu besitzen. Grate oder eine Welligkeit der Oberfläche, die bei der Herstellung von Objekten entstehen können, sind bei manchen Anwendungen nur in sehr engen Grenzen vertretbar. Insbesondere bei hochpräziser Mechanik mit beweglichen Teilen kann eine nicht hinreichende Oberflächenqualität zu Fehlfunktionen oder zu einer raschen Zerstörung führen. Neben dem Gewinnen von Informationen über die Qualität der Oberfläche wird in manchen Bereichen ein genaues Vermessen von Strukturen in einer Oberfläche benötigt. So ist es bei manchen Anwendungen beispielsweise von Interesse, die Tiefe und die Position von Fräsungen oder Bohrungen in einem Werkstück zu kennen. Aus der Praxis sind verschiedene Verfahren zum Vermessen von Oberflächen bekannt. Bei einem möglichen Verfahren werden eine oder mehrere Kameras eingesetzt, mit denen über eine Triangulation Informationen über die dreidimensionale Beschaffenheit der Oberfläche berechnet werden. Auch in zahlreichen Bereichen der Medizin ist es hilfreich, genaue Kenntnisse über die Beschaffenheit von Oberflächen zu besitzen. Auch Untersuchungs- und/oder Operationsinstrumente sind exakt zu positionieren und deren Tätigkeit ist idealerweise laufend zu überwachen. Werden eine oder mehrere Kameras eingesetzt, so ist es möglich, die Beschaffenheit von Oberflächen und/oder die Lage von Instrumenten dreidimensional zu erfassen. Die Verwendung von GRIN-Linsen in diesen unterschiedlichen Bereichen ist aus der Druckschrift DE 103 61 555 A1 bekannt. Allerdings benötigen derartige Vorrichtungen viel Raum oder es lassen sich mit derartigen Messsystemen nur sehr beschränkte Messgenauigkeiten erzielen.In many areas of technology, it is important to have a better understanding of the nature of surfaces. Burrs or ripples of the surface, which can arise during the production of objects, are only acceptable within very narrow limits in some applications. Especially with high-precision mechanics with moving parts, insufficient surface quality can lead to malfunction or rapid destruction. In addition to gaining information about the quality of the surface, in some areas an exact measurement of structures in a surface is needed. For example, in some applications it is of interest to know the depth and position of millings or holes in a workpiece. From practice, various methods for measuring surfaces are known. In one possible method, one or more cameras are used to triangulate information about the three-dimensional nature of the surface. It is also helpful in many areas of medicine to have precise knowledge of the nature of surfaces. Also examination and / or surgical instruments are to be positioned exactly and their activity is ideally to be constantly monitored. If one or more cameras are used, it is possible to grasp the condition of surfaces and / or the position of instruments three-dimensionally. The use of GRIN lenses in these different areas is from the document DE 103 61 555 A1 known. However, such devices require a lot of space or can be achieved with such measuring systems only very limited measurement accuracy.

Die Druckschrift DE 10 2005 023 351 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Vermessen von Oberflächen und ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung, wobei die Vorrichtung eine GRIN-Linse umfasst.The publication DE 10 2005 023 351 A1 discloses a device for measuring surfaces and a method for operating the device, the device comprising a GRIN lens.

In der Messtechnik sowie auf anderen Gebieten der Technik oder der Bildaufnahme ist es häufig von großem Vorteil, die Ausrichtung der Schärfeebene, auch Fokusebene genannt, gegenüber der Bildebene, auch Detektorebene genannt, mit Hilfe projizierender Optik einzustellen. Hiermit ist es möglich, gänzlich scharfe Bilder auch von Objekten, welche in ungünstiger Perspektive zum Betrachter beziehungsweise zum optischen System liegen, aufzunehmen. Insbesondere die Erfassung von Objektebenen, die nicht parallel zur Bildebene einer Kamera liegen, führt bei einer Kamera, deren Bildebene parallel zur Hauptebene eines der Kamera vorgeschalteten Objektivs angeordnet ist, zu Unschärfen im Randbereich der Abbildung der Objektebene auf die Bildebene. Diese Unschärfen sind durch Einhaltung des Scheimpflugkriteriums minimierbar. Nach dem Scheimpflugkriterium müssen sich die aufzuzeichnende Objektebene, die Hauptebene und die Bildebene der Kamera auf einer gemeinsamen Schnittlinie schneiden. Um das Scheimpflugkriterium einhalten zu können, muss also neben einer Möglichkeit, das Objektiv gegenüber dem Objekt zu verkippen, auch eine Verkippbarkeit der Kamera, also der Bildebene gegenüber dem Objektiv, also der Hauptebene, gegeben sein. Eine derartige Vorrichtung aus der Makrooptik zeigt die Druckschrift DE 10 2006 046 586 A1 . Dieses Prinzip lässt sich problemlos nur für makroskopische, formgeschliffene Linsen mit einer Hauptebene, auch Linsenebene genannt, anwenden.In metrology and other fields of technology or image acquisition, it is often of great advantage, the orientation of the focal plane, also called focal plane, compared to the image plane, also called detector plane, set using the projecting optics. This makes it possible to record completely sharp images of objects that are in unfavorable perspective to the viewer or the optical system. In particular, the detection of object planes that are not parallel to the image plane of a camera leads to blurring in the edge region of the image of the object plane on the image plane in a camera whose image plane is parallel to the main plane of a camera lens. These blurs can be minimized by adhering to the Scheimpflug criterion. According to the Scheimpflug criterion, the object plane to be recorded, the main plane and the image plane of the camera must intersect on a common intersection line. In order to be able to adhere to the Scheimpflug criterion, in addition to a possibility of tilting the objective relative to the object, tilting of the camera, ie the image plane relative to the objective, that is to say the main plane, must also be provided. Such a device from the macro-optics shows the document DE 10 2006 046 586 A1 , This principle can be easily applied only to macroscopic, form-ground lenses with a main plane, also called lens plane.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, mittels einer GRIN-Optik in einem engen räumlichen Umfeld, insbesondere bei endoskopischen Anwendungen, eine zur Bildebene gekippte Objektebene möglichst scharf zu erfassen.The invention has for its object to provide a way to capture by means of a GRIN optics in a narrow spatial environment, especially in endoscopic applications, an object plane tilted to the image plane as sharp as possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen. This object is achieved with a device according to the features of claim 1. The further embodiment of the invention can be found in the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Bildgrenzfläche von der Objektgrenzfläche hinsichtlich ihrer Oberflächengeometrie und/oder der Ausrichtung zur optischen Achse der GRIN-Optik abweicht. Hierdurch wird es möglich, einen Effekt ähnlich dem Scheimpflugkriterium zu erzielen, wobei die objektseitige Fokusebene zu der Objektgrenzfläche geneigt ist und somit eine in einem weiten Bereich scharfe Abbildung einer ebenso gegenüber der Objektgrenzfläche geneigten Objektebene in der Bildebene möglich ist. Die objektseitige Objektgrenzfläche und die objektferne Bildgrenzfläche sind zwei gegenüberliegende Enden der GRIN-Optik. Die optische Achse ist die Mittellängsachse der GRIN-Optik. Das Brechzahlprofil der GRIN-Optik ist zur optischen Achse konzentrisch.According to the invention, therefore, a device is provided in which the image boundary surface deviates from the object boundary surface with respect to its surface geometry and / or the alignment with the optical axis of the GRIN optics. This makes it possible to achieve an effect similar to the Scheimpflug criterion, wherein the object-side focal plane is inclined to the object interface and thus a wide range sharp imaging of an object plane inclined to the object plane object plane in the image plane is possible. The object-side object interface and the image-distant image interface are two opposite ends of the GRIN optic. The optical axis is the central longitudinal axis of the GRIN optics. The refractive index profile of the GRIN optics is concentric with the optical axis.

Die Verwendung unter anderem der Begriffe Fokusebene und Bildebene beziehen sich üblicherweise auf einen Detektor, beispielsweise eine Kamera. Im Sinne dieser Erfindung sind sie jedoch losgelöst von der Verwendung des optischen Systems zu verstehen, da das erfindungsgemäße optische System ebenso als Emitter, beispielsweise Projektor, zur Anwendung kommen kann. Bei einem solchen, erfindungsgemäßen Emitter sind die Fokusebene objektseitig und die Bildebene beziehungsweise die Bildgrenzfläche der GRIN-Optik objektfern. Vorzugsweise weist die GRIN-Optik objektseitig eine Fokusebene und objektfern eine Bildebene auf, wobei die Bildebene gekrümmt ist. Diese Krümmung ist abhängig von der Oberfläche des Objekts, insbesondere von der Geometrie der Oberfläche und der Lage der Oberfläche relativ zu der Objektgrenzfläche der GRIN-Optik. Die Bildebene ist um eine oder mehrere Achsen gekrümmt.The use of, inter alia, the terms focal plane and image plane usually refer to a detector, for example a camera. For the purposes of this invention, however, they are to be understood as being detached from the use of the optical system, since the optical system according to the invention can also be used as an emitter, for example a projector. In such an emitter according to the invention, the focal plane on the object side and the image plane or the image interface of the GRIN optic are distant from the object. The GRIN optic preferably has a focal plane on the object side and an image plane on the outside, the image plane being curved. This curvature depends on the surface of the object, in particular on the geometry of the surface and the position of the surface relative to the object interface of the GRIN optics. The image plane is curved about one or more axes.

Es hat sich als günstig erwiesen, dass die Bildgrenzfläche zumindest abschnittsweise die Lage und/oder Krümmung der Bildebene aufweist und/oder zumindest abschnittsweise die Lage und/oder die Neigung einer planen Ausgleichsfläche der gekrümmten Bildebene aufweist. Hierdurch ist es möglich, eine relativ zur Objektgrenzfläche und somit zur optischen Achse geneigte Fokusebene zu erreichen. Mittels einer geneigten Fokusebene ist es erst möglich, eine GRIN-Optik, beziehungsweise deren optische Achse, in einem engen räumlichen Umfeld, insbesondere bei endoskopischen Anwendungen, abweichend von der orthogonalen Ausrichtung relativ zu einer Objektebene zu positionieren und dabei die Objektebene in einem weiten Bereich scharf zu erfassen. Die Krümmung und/oder die Neigung und der Abstand der Bildebene beziehungsweise deren planer Ausgleichsfläche ist in Abhängigkeit der Eigenschaften der GRIN-Optik und des kleinsten Winkels zwischen gewünschter Fokusebene und optischer Achse bestimmt. Vorzugsweise ist die Bildgrenzfläche identisch zur Ausgleichsfläche plan und relativ zu der Objektgrenzfläche geneigt ausgeführt. Der Abstand der Bildgrenzfläche zur Objektgrenzfläche entspricht dem Abstand der Ausgleichsfläche zur Objektgrenzfläche. Eine plane Bildgrenzfläche ist bei ähnlichen optischen Eigenschaften sehr viel einfacher herzustellen als eine gekrümmte Bildgrenzfläche. Darüber hinaus ist die Übertragung eines Lichtbündels zwischen der GRIN-Optik und weiteren optischen Elementen, wie beispielsweise einer Übertragungseinrichtung, bei planen Grenzflächen einfacher zu realisieren.It has proved to be favorable that the image interface at least in sections has the position and / or curvature of the image plane and / or at least partially has the position and / or the inclination of a plane compensation surface of the curved image plane. This makes it possible to achieve a focus plane which is inclined relative to the object boundary surface and thus to the optical axis. By means of an inclined focal plane, it is only possible to position a GRIN optic, or its optical axis, in a narrow spatial environment, in particular in endoscopic applications, deviating from the orthogonal orientation relative to an object plane and thereby sharpen the object plane in a wide range capture. The curvature and / or the inclination and the distance of the image plane or its planar compensation surface is determined as a function of the properties of the GRIN optics and of the smallest angle between the desired focal plane and the optical axis. Preferably, the image interface is identical to the compensation surface plan and inclined relative to the object interface. The distance of the image interface from the object interface corresponds to the distance of the compensation surface to the object interface. A planar image interface is much easier to produce with similar optical properties than a curved image interface. In addition, the transmission of a light beam between the GRIN optics and other optical elements, such as a transmission device, is easier to realize at planar interfaces.

Die Ausgleichsfläche ist eine zumindest abschnittsweise plane Fläche, welche über die Querschnittsfläche der GRIN-Optik zu der im Raum gekrümmten Bildebene den geringsten Abstand aufweist. Es hat sich als praktikabel erwiesen, dass der kleinste Winkel, den die zur optischen Achse normale Hauptebene und die Bildgrenzfläche einschließen, größer 0 Grad und kleiner 90 Grad ist, insbesondere bevorzugt in einem Bereich größer 5 Grad und kleiner 40 Grad gewählt ist. Bei einer Neigung der Fokusebene zu der Hauptebene von 45 Grad liegt die Neigung der Bildgrenzfläche zur Hauptebene in einem Bereich von 11 Grad bis 17 Grad, vorzugsweise bei 14 Grad.The compensation surface is an at least partially planar surface, which has the smallest distance over the cross-sectional surface of the GRIN optical system to the image plane curved in the space. It has been found to be practicable that the smallest angle included by the main plane normal to the optical axis and the image interface is greater than 0 degrees and less than 90 degrees, more preferably in a range greater than 5 degrees and less than 40 degrees. With the focus plane inclined to the main plane of 45 degrees, the inclination of the image interface to the main plane is in a range of 11 degrees to 17 degrees, preferably 14 degrees.

Gemäß einer insbesondere für eine endoskopische Anwendung favorisierten Weiterbildung der Erfindung liegt an der Bildgrenzfläche eine weitere optische Einrichtung an. Bevorzugt ist an der Bildgrenzfläche eine optische Übertragungseinrichtung angeordnet. Mittels der optischen Übertragungseinrichtung, beispielsweise einer faseroptischen Anordnung, kann ein Lichtbündel an einen von der GRIN-Optik entfernten Ort geführt oder von einem solchen zur GRIN-Optik geleitet werden. Beispielsweise erzeugt die GRIN-Optik eine optische Abbildung von oberflächennahen Bereichen des Objekts in einer Bildebene. Die Bildebene fällt wie vorstehend erläutert erfindungsgemäß weitestgehend mit der Bildgrenzfläche zusammen. Die mit einem ersten Ende an der Bildgrenzfläche anliegende Übertragungseinrichtung überträgt die Abbildung des Objekts dann an ihr zweites Ende, welches entfernt von der GRIN-Optik positioniert werden kann. Andererseits ist es auch möglich, an dem zweiten Ende der Übertragungseinrichtung ein Lichtbündel, insbesondere ein Abbild, beispielsweise ein Streifenmuster, in die Übertragungseinrichtung einzukoppeln. Dieses Lichtbündel wird von der Übertragungseinrichtung dann an ihrem ersten Ende an die GRIN-Optik übertragen und von dieser erfindungsgemäß mit einer gegenüber der Objektgrenzfläche gekippten Fokusebene emittiert und beispielsweise auf die Oberfläche eines Objekts projiziert. Die optische Übertragungseinrichtung hat einen gegenüber der Übertragungslänge geringeren Durchmesser.According to a development of the invention which is particularly favored for endoscopic application, a further optical device is applied to the image interface. Preferably, an optical transmission device is arranged on the image interface. By means of the optical transmission device, for example a fiber optic arrangement, a light beam can be guided to a location remote from the GRIN optics or directed from one to the GRIN optics. For example, the GRIN optic generates an optical image of near-surface regions of the object in an image plane. The image plane falls as explained above largely according to the invention with the image interface together. The transfer means abutting the image interface with a first end then transmits the image of the object to its second end, which can be positioned remotely from the GRIN optics. On the other hand, it is also possible, at the second end of the transmission device, to couple a light bundle, in particular an image, for example a stripe pattern, into the transmission device. This light beam is then transmitted by the transmission device at its first end to the GRIN optics and emitted by the latter according to the invention with a focal plane tilted with respect to the object boundary surface and projected, for example, onto the surface of an object. The optical Transmission device has a relation to the transmission length smaller diameter.

Vorteilhaft ist es, dass zwischen der ersten GRIN-Optik und der Übertragungseinrichtung eine GRIN-Linse angeordnet ist. Mittels dieser GRIN-Linse ist es möglich, das zwischen GRIN-Optik und Übertragungseinrichtung zu übertragende Lichtbündel an die Eigenschaften der GRIN-Optik und der Übertragungseinrichtung, insbesondere an deren Apertur und Objektfeld, anzupassen. Vorzugsweise ist es weiterhin möglich, der Objektgrenzfläche und/oder der Bildgrenzfläche der GRIN-Optik und/oder der GRIN-Linse eine optische Umlenkeinrichtung, beispielsweise ein Prisma oder einen Spiegel, zuzuordnen oder an diesen anzuordnen.It is advantageous that a GRIN lens is arranged between the first GRIN optics and the transmission device. By means of this GRIN lens, it is possible to adapt the light bundle to be transmitted between GRIN optics and transmission device to the properties of the GRIN optics and of the transmission device, in particular to its aperture and object field. Preferably, it is furthermore possible to associate or arrange at the object boundary surface and / or the image interface of the GRIN optics and / or the GRIN lens an optical deflection device, for example a prism or a mirror.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dem Unteranspruch zu entnehmen.The object is achieved according to the invention with a device according to the features of claim 9. The further embodiment of the invention is shown in the dependent claim.

Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei der zumindest ein optisches System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt ist. Vorzugsweise umfasst die Messvorrichtung zwei optische Systeme. Die Verwendung mehrerer derartiger optischer Systeme in einer Vorrichtung ermöglicht es, eine beliebig geneigte Objektebene scharf an der Bildgrenzfläche abzubilden. Dies eröffnet Verbesserungen auch in den Gebieten der Mikrooptik und der optischen Mikromesstechnik, insbesondere bei triangulationsbasierten und/oder endoskopischen Messgeräten.According to the invention, therefore, a device is provided in which at least one optical system according to at least one of claims 1 to 8 is executed. Preferably, the measuring device comprises two optical systems. The use of several such optical systems in one device makes it possible to image an arbitrarily inclined object plane sharply at the image interface. This opens up improvements in the fields of micro-optics and optical micrometry, especially in triangulation-based and / or endoscopic measuring devices.

Günstig ist es, dass die zwischen den Flächennormalen der jeweiligen Objektgrenzflächen der optischen Systeme und der Oberfläche des Objekts eingeschlossenen kleinsten Winkel unterschiedlich sind, wobei die optischen Systeme eine gemeinsame Fokusebene aufweisen. Hierdurch ist es möglich, die optischen Systeme sehr kompakt anzuordnen und zugleich einen für das Vermessen beziehungsweise räumliche Erfassen der Oberfläche des Objekts erforderlichen Blickwinkelunterschied bei einem großen Schärfebereich zu erzielen. Für eine Messeinrichtung hat die Vorrichtung vorzugsweise ein erstes optisches System als Emitter, welches beispielsweise ein Streifenmuster auf die Oberfläche des Objekts projiziert und ein zweites optisches System als Detektor, welches die Oberfläche und insbesondere das kontrastreiche Streifenmuster aufnimmt. Mittels Triangulationsverfahren kann die Oberfläche anhand des aufgenommenen Bildes vermessen werden. Für eine räumliche Bilderfassung sind wenigstens zwei optische Systeme als Detektoren vorgesehen, welche aus unterschiedlichen Blickwinkeln auf denselben Oberflächenabschnitt des Objekts gerichtet sind.It is favorable that the smallest angles enclosed between the surface normals of the respective object boundary surfaces of the optical systems and the surface of the object are different, the optical systems having a common focal plane. This makes it possible to arrange the optical systems very compact and at the same time to achieve a required for measuring or spatial detection of the surface of the object viewing angle difference in a large focus range. For a measuring device, the device preferably has a first optical system as an emitter, which for example projects a fringe pattern onto the surface of the object, and a second optical system as a detector, which records the surface and in particular the high-contrast fringe pattern. Using triangulation, the surface can be measured using the recorded image. For spatial image acquisition, at least two optical systems are provided as detectors, which are directed from different viewing angles onto the same surface section of the object.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind einige davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Die Zeichnung zeigt inThe invention allows for various embodiments. To further clarify its basic principle, some of them are shown in the drawing and will be described below. The drawing shows in

1 eine schematische Darstellung eines optisches Systems gemäß dem Stand der Technik; 1 a schematic representation of an optical system according to the prior art;

2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optisches Systems; 2 a schematic representation of an optical system according to the invention;

3 eine schematische Darstellung der Wirkweise einer GRIN-Optik gemäß dem Stand der Technik; 3 a schematic representation of the mode of action of a GRIN optics according to the prior art;

4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Wirkweise; 4 a schematic representation of the mode of action according to the invention;

5 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der in 2 gezeigten GRIN-Optik; 5 a schematic representation of a first embodiment of in 2 shown GRIN optics;

6 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der in 2 gezeigten GRIN-Optik; 6 a schematic representation of a second embodiment of in 2 shown GRIN optics;

7 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der in 2 gezeigten GRIN-Optik; 7 a schematic representation of a third embodiment of in 2 shown GRIN optics;

8 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung mit zwei optischen Systemen; 8th a schematic representation of a first embodiment of a device with two optical systems;

9 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung mit zwei optischen Systemen. 9 a schematic representation of a second embodiment of a device with two optical systems.

Die 1 und 2 zeigen jeweils ein optisches System 1, bei dem eine GRIN-Optik 2, 3 mit zur optischen Achse 4 radialem Brechzahlprofil eingesetzt ist. Weiterhin ist ein Objekt 5 mit einer Oberfläche 6 dargestellt. Die GRIN-Optik 2, 3 umfasst objektseitig eine Fokusebene 7 und eine Objektgrenzfläche 8 und objektfern eine Bildebene 9 und eine Bildgrenzfläche 10. Die Objektgrenzfläche 8 weist eine plane Oberflächengeometrie auf und ist orthogonal zu der optischen Achse 4 der GRIN-Optik 2, 3 ausgerichtet. Zur Veranschaulichung des Strahlengangs ist ein Lichtbündel 11 angedeutet.The 1 and 2 each show an optical system 1 in which a GRIN look 2 . 3 with to the optical axis 4 radial refractive index profile is used. Furthermore, an object 5 with a surface 6 shown. The GRIN optics 2 . 3 on the object side comprises a focal plane 7 and an object interface 8th and far off an image plane 9 and an image interface 10 , The object interface 8th has a planar surface geometry and is orthogonal to the optical axis 4 the GRIN look 2 . 3 aligned. To illustrate the beam path is a light beam 11 indicated.

1 zeigt eine GRIN-Optik 2 nach dem Stand der Technik. Bei dieser GRIN-Optik 2 ist die Bildgrenzfläche 10 parallel zur Objektgrenzfläche 8 orientiert. Bei dieser GRIN-Optik 2 ist auch die Fokusebene 7 parallel zu der Objektgrenzfläche 8 orientiert. Um bei einer beispielsweise als Detektor eingesetzten GRIN-Optik 2 die Oberfläche 6 des Objekts 5 in einem möglichst großen Bereich scharf auf der Bildgrenzfläche 10 abbilden zu können, muss die optische Achse 4 senkrecht zur Oberfläche 6 des Objekts 5 orientiert sein. 1 shows a GRIN look 2 According to the state of the art. With this GRIN look 2 is the image interface 10 parallel to the object interface 8th oriented. With this GRIN look 2 is also the focal plane 7 parallel to the object interface 8th oriented. In order for example used as a detector GRIN optics 2 the surface 6 of the object 5 in the widest possible range on the Picture interface 10 To be able to map, the optical axis must 4 perpendicular to the surface 6 of the object 5 be oriented.

2 zeigt eine erfindungsgemäße GRIN-Optik 3. Bei dieser GRIN-Optik 3 ist die Bildgrenzfläche 10 von der Objektgrenzfläche 8 hinsichtlich ihrer Ausrichtung zur optischen Achse 4 abweichend gestaltet. Die Bildgrenzfläche 10 ist relativ zu der Objektgrenzfläche 8 geneigt. Dies ermöglicht es, die beispielsweise als Detektor eingesetzte GRIN-Optik 3 beziehungsweise deren optische Achse 4 in einem von der Senkrechten abweichenden Winkel zu der Oberfläche 6 des Objekts 5 zu positionieren. Durch die Neigung der Bildgrenzfläche 10 ist es möglich, eine zur optischen Achse 4 nicht senkrecht orientierte Fokusebene 7 zu erhalten und so einen möglichst großen Bereich der Oberfläche 6 scharf auf der Bildgrenzfläche 10 abzubilden. 2 shows a GRIN optics according to the invention 3 , With this GRIN look 3 is the image interface 10 from the object interface 8th in terms of their orientation to the optical axis 4 deviating designed. The image interface 10 is relative to the object interface 8th inclined. This makes it possible, for example, the GRIN optics used as a detector 3 or their optical axis 4 in an angle deviating from the vertical to the surface 6 of the object 5 to position. Due to the inclination of the image interface 10 is it possible to have one to the optical axis 4 not vertically oriented focal plane 7 to maintain and as much of the surface as possible 6 sharp on the image interface 10 map.

Die 3 und 4 zeigen die Wirkweise der in den 1 und 2 beschriebenen GRIN-Optik 2, 3 anhand einer GRIN-Optik 2 nach dem Stand der Technik. Das Lichtbündel 11 und dessen Strahlenverlauf sind in den 3, 4 auch im Inneren der GRIN-Optik 2 dargestellt. Der objektferne Abschnitt der GRIN-Optik 2, insbesondere die Bildgrenzfläche 9 der GRIN-Optik 2, ist in einer Ausschnittvergrößerung 12 dargestellt.The 3 and 4 show the mode of action in the 1 and 2 described GRIN optics 2 . 3 based on a GRIN look 2 According to the state of the art. The light beam 11 and its ray trajectory are in the 3 . 4 also inside the GRIN optics 2 shown. The off-grid section of the GRIN optics 2 , in particular the image interface 9 the GRIN look 2 , is in a cut-out enlargement 12 shown.

3 zeigt eine GRIN-Optik 2 nach dem Stand der Technik mit zueinander paralleler Objektgrenzfläche 8 und Bildgrenzfläche 10. Die Bildebene 9 und die Fokusebene 7 sind zueinander parallel und jeweils zur optischen Achse 4 orthogonal. Die Bildebene 9 fällt mit der Bildgrenzfläche 10 zusammen. 3 shows a GRIN look 2 according to the prior art with mutually parallel object interface 8th and image interface 10 , The picture plane 9 and the focal plane 7 are parallel to each other and each to the optical axis 4 orthogonal. The picture plane 9 coincides with the image interface 10 together.

4 zeigt eine GRIN-Optik 2 nach dem Stand der Technik mit zueinander paralleler Objektgrenzfläche 8 und Bildgrenzfläche 10. Bei einer gegenüber der Objektgrenzfläche 8 geneigten Fokusebene 7 ist die Bildebene 9 in der GRIN-Optik 2 gewölbt. Hier setzt die Erfindung an und sieht die Gestaltung der Bildgrenzfläche 10 bei der erfindungsgemäßen GRIN-Optik 3, wie sie in den 2 und 5 bis 7 gezeigt ist, identisch mit oder als Annäherung zu dieser Bildebene 9 vor. 4 shows a GRIN look 2 according to the prior art with mutually parallel object interface 8th and image interface 10 , At one opposite the object interface 8th inclined focal plane 7 is the picture plane 9 in the GRIN look 2 arched. This is where the invention comes in and sees the design of the image interface 10 in the inventive GRIN optics 3 as they are in the 2 and 5 to 7 is shown, identical to or as an approximation to this image plane 9 in front.

Die 5, 6 und 7 zeigen verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen GRIN-Optik 3 in jeweils einer isometrischen Ansicht und einem Längsschnitt. Die GRIN-Optik 3 besteht aus einem zylinderförmigen Stab, dessen Grundfläche die Objektgrenzfläche 8 ist. Die Objektgrenzfläche 8 ist senkrecht zur Mittellängsachse des Stabs orientiert. Die Mittellängsachse entspricht der optischen Achse 4 der GRIN-Optik 3. Die Bildgrenzfläche 10 ist bei allen Ausführungsformen durch eine Bearbeitung des objektfernen Abschnitts der GRIN-Optik 3 erzeugt.The 5 . 6 and 7 show various embodiments of the invention GRIN optics 3 in each case an isometric view and a longitudinal section. The GRIN optics 3 consists of a cylindrical rod whose base is the object interface 8th is. The object interface 8th is oriented perpendicular to the central longitudinal axis of the rod. The central longitudinal axis corresponds to the optical axis 4 the GRIN look 3 , The image interface 10 is in all embodiments by processing the off-center portion of the GRIN optics 3 generated.

5 zeigt eine erste Ausführungsform der GRIN-Optik 3. Bei dieser Variante ist die Bildgrenzfläche 10 entsprechend der in 4 gezeigten gekrümmten Bildebene 9 ausgeführt. Dabei ist die Form der Bildgrenzfläche 10 mit der der Bildebene 9 identisch, sodass deren Krümmung und Abstand zur Objektgrenzfläche 8 übereinstimmen. 5 shows a first embodiment of the GRIN optics 3 , In this variant, the image interface 10 according to the in 4 shown curved image plane 9 executed. Here is the shape of the image interface 10 with the image plane 9 identical, so that their curvature and distance to the object interface 8th to match.

6 zeigt eine zweite Ausführungsform der GRIN-Optik 3. Bei dieser ist die Bildgrenzfläche 10 plan und gegenüber der Objektgrenzfläche 8 geneigt. Die Neigung der Bildgrenzfläche 10 entspricht der einer planen Ausgleichsfläche der in 4 beschriebenen, gekrümmten Bildebene 9. Die Ausgleichsfläche ist eine zumindest abschnittsweise plane Fläche, welche über die Querschnittsfläche der GRIN-Optik 3 zu der im Raum gekrümmten Bildebene 9 den geringsten Abstand aufweist. Vorzugsweise beträgt die Neigung einen Winkel zwischen 0 Grad und 45 Grad. In der dargestellten Ausführungsform ist eine Neigung der Bildgrenzfläche von 14 Grad gewählt. Diese Neigung ist geeignet für eine gegenüber der Objektgrenzfläche 8 im Winkel von 45 Grad geneigten Fokusebene 7, wie sie in 4 gezeigt ist. 6 shows a second embodiment of the GRIN optics 3 , In this is the image interface 10 plan and opposite the object interface 8th inclined. The inclination of the image interface 10 corresponds to a flat compensation area of the 4 described, curved image plane 9 , The compensation surface is an at least partially planar surface, which extends over the cross-sectional area of the GRIN optics 3 to the curved in the room image plane 9 has the smallest distance. Preferably, the inclination is an angle between 0 degrees and 45 degrees. In the illustrated embodiment, an inclination of the image interface of 14 degrees is selected. This inclination is suitable for one opposite the object interface 8th at an angle of 45 degrees inclined focal plane 7 as they are in 4 is shown.

7 zeigt eine dritte Ausführungsform der GRIN-Optik 3, welche einer Kombination der ersten beiden Ausführungsformen entspricht. Bei dieser Ausführungsform besteht die Bildgrenzfläche 10 aus zwei Abschnitten 13, 14. Der Abschnitt 13 ist plan und gegenüber der Objektgrenzfläche 8 geneigt. Der Abschnitt 14 ist entsprechend der Bildebene 9 gekrümmt. 7 shows a third embodiment of the GRIN optics 3 which corresponds to a combination of the first two embodiments. In this embodiment, the image interface exists 10 from two sections 13 . 14 , The section 13 is plane and opposite the object interface 8th inclined. The section 14 is according to the picture plane 9 curved.

Die 8 und 9 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen einer Vorrichtung 15 mit zwei optischen Systemen 1, 16 für eine endoskopische Messanwendung und/oder mehrdimensionale Bilderfassung. Das erste optische System 1 umfasst eine GRIN-Optik 3, wie sie in den 2 und 5 bis 7 beschrieben ist. Das zweite optische System 16 umfasst eine GRIN-Linse 19, die der in den 1 und 3 beschriebenen GRIN-Optik 2 entspricht. Die beiden optischen Systeme 1, 16 sind jeweils in einem anderen Winkel auf die Oberfläche 6 eines Objekts 5 gerichtet. Die Objektgrenzfläche 18 und die Fokusebene 17 der GRIN-Linse 19 des zweiten optischen Systems 16 sind parallel zueinander orientiert. Die Objektgrenzfläche 8 der GRIN-Optik 3 des ersten optischen Systems 1 ist zu der Objektgrenzfläche 18 der GRIN-Linse 19 des zweiten optischen Systems 16 in einem Winkel von 45 Grad geneigt. Die GRIN-Optik 3 weist eine erfindungsgemäß bearbeitete Bildgrenzfläche 10 auf, welcher eine gegenüber der Objektgrenzfläche 8 in einem Winkel von 45 Grad geneigte Fokusebene 7 zugeordnet ist. Die Fokusebenen 7, 17 der beiden optischen Systeme 1, 16 fallen zusammen und sind vorzugsweise auf der Oberfläche 6 des Objekts 5 positioniert. An den Bildgrenzflächen 10, 20 der GRIN-Optik 3 beziehungsweise der GRIN-Linse 19 ist jeweils eine optische Übertragungseinrichtung 21 angeordnet. Für eine Messanwendung ist eines der beiden optischen Systeme 1, 16 als Emitter, beispielsweise eines Streifenmusters, und das andere der beiden optischen Systeme 1, 16 als Detektor eingesetzt. Für eine mehrdimensionale Bilderfassung sind beide optische Systeme 1, 16 als Detektoren eingesetzt.The 8th and 9 show two different embodiments of a device 15 with two optical systems 1 . 16 for an endoscopic measurement application and / or multidimensional image acquisition. The first optical system 1 includes a GRIN look 3 as they are in the 2 and 5 to 7 is described. The second optical system 16 includes a GRIN lens 19 that in the 1 and 3 described GRIN optics 2 equivalent. The two optical systems 1 . 16 are each at a different angle to the surface 6 an object 5 directed. The object interface 18 and the focal plane 17 the GRIN lens 19 of the second optical system 16 are oriented parallel to each other. The object interface 8th the GRIN look 3 of the first optical system 1 is to the object interface 18 the GRIN lens 19 of the second optical system 16 inclined at an angle of 45 degrees. The GRIN optics 3 has an image interface processed according to the invention 10 on, which one opposite the object interface 8th at 45 degrees inclined plane of focus 7 assigned. The focal planes 7 . 17 the two optical systems 1 . 16 fall together and are preferably on the surface 6 of the object 5 positioned. At the picture interfaces 10 . 20 the GRIN look 3 respectively the GRIN lens 19 is in each case an optical transmission device 21 arranged. For a measurement application is one of the two optical systems 1 . 16 as an emitter, for example a stripe pattern, and the other of the two optical systems 1 . 16 used as a detector. For a multi-dimensional image capture, both are optical systems 1 . 16 used as detectors.

8 zeigt eine erste Ausführungsform der Vorrichtung 15. Bei dieser Ausführungsform ist die Objektgrenzfläche 18 der GRIN-Linse 19 des zweiten optischen Systems 16 parallel zu der Oberfläche 6 des Objekts positioniert. 8th shows a first embodiment of the device 15 , In this embodiment, the object interface is 18 the GRIN lens 19 of the second optical system 16 parallel to the surface 6 of the object.

9 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 15. Bei dieser Ausführungsform ist die Objektgrenzfläche 18 der GRIN-Linse 19 des zweiten optischen Systems 16 senkrecht zu der Oberfläche 6 des Objekts positioniert. An den Objektgrenzflächen 8, 18 der GRIN-Optik 3 beziehungsweise der GRIN-Linse 19 ist jeweils ein Prisma als eine optische Umlenkeinrichtung 22 angeordnet. 9 shows a second embodiment of the device 15 , In this embodiment, the object interface is 18 the GRIN lens 19 of the second optical system 16 perpendicular to the surface 6 of the object. At the object interfaces 8th . 18 the GRIN look 3 or the GRIN lens 19 is in each case a prism as an optical deflection device 22 arranged.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Optisches System (1), insbesondere für endoskopische Anwendungen, bei dem mindestens eine GRIN-Optik (3) mit zur optischen Achse (4) radialem Brechzahlprofil eingesetzt ist, die GRIN-Optik (3) objektseitig eine Fokusebene (7) und eine Objektgrenzfläche (8) und objektfern eine Bildebene (9) und eine Bildgrenzfläche (10) aufweist, wobei die Objektgrenzfläche (8) eine plane Oberflächengeometrie aufweist und orthogonal zu der optischen Achse (4) der GRIN-Optik (3) ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgrenzfläche (10) von der Objektgrenzfläche (8) hinsichtlich ihrer Oberflächengeometrie und/oder der Ausrichtung zur optischen Achse (4) abweichend ausgeführt ist.Optical system ( 1 ), in particular for endoscopic applications, in which at least one GRIN optic ( 3 ) with the optical axis ( 4 ) radial refractive index profile is used, the GRIN optics ( 3 ) on the object side a focal plane ( 7 ) and an object interface ( 8th ) and an image plane ( 9 ) and an image interface ( 10 ), wherein the object interface ( 8th ) has a planar surface geometry and orthogonal to the optical axis ( 4 ) of the GRIN optics ( 3 ), characterized in that the image interface ( 10 ) from the object interface ( 8th ) with regard to their surface geometry and / or the alignment with the optical axis ( 4 ) is executed deviating. Optisches System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgrenzfläche (10) zumindest abschnittsweise die Lage und/oder Krümmung der Bildebene (9) aufweist und/oder zumindest abschnittsweise die Lage und/oder die Neigung einer planen Ausgleichsfläche der Bildebene (9) aufweist.Optical system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the image interface ( 10 ) at least in sections, the position and / or curvature of the image plane ( 9 ) and / or at least in sections the position and / or the inclination of a plane compensating surface of the image plane ( 9 ) having. Optisches System (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildebene (9) gekrümmt ist.Optical system ( 1 ) according to claims 1 or 2, characterized in that the image plane ( 9 ) is curved. Optisches System (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgrenzfläche (10) relativ zu der Objektgrenzfläche (8) geneigt ist.Optical system ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the image interface ( 10 ) relative to the object interface ( 8th ) is inclined. Optisches System (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Winkel, den die Objektgrenzfläche (8) und die Bildgrenzfläche (10) einschließen, größer 0 Grad und kleiner 90 Grad ist, insbesondere bevorzugt in einem Bereich größer 5 Grad und kleiner 40 Grad gewählt ist. Optical system ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the smallest angle which the object interface ( 8th ) and the image interface ( 10 ), greater than 0 degrees and less than 90 degrees, more preferably in a range greater than 5 degrees and less than 40 degrees. Optisches System (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildgrenzfläche (10) eine optische Übertragungseinrichtung (21) zugeordnet ist.Optical system ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the image interface ( 10 ) an optical transmission device ( 21 ) assigned. Optisches System (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der GRIN-Optik (3) und der Übertragungseinrichtung (21) eine zweite GRIN-Linse zum Anpassen des übertragenen Lichtbündels (11) zwischen erster GRIN-Optik (3) und Übertragungseinrichtung (21) vorgesehen ist.Optical system ( 1 ) according to claim 6, characterized in that between the GRIN optics ( 3 ) and the transmission equipment ( 21 ) a second GRIN lens for adjusting the transmitted light beam ( 11 ) between first GRIN optics ( 3 ) and transmission equipment ( 21 ) is provided. Optisches System (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (1) ein Emitter und/oder Detektor für ein Lichtbündel (11) ist.Optical system ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the optical system ( 1 ) an emitter and / or detector for a light beam ( 11 ). Vorrichtung (15), insbesondere für endoskopische Anwendungen, umfassend zumindest zwei optische Systeme (1, 16), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein optisches System (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt ist.Contraption ( 15 ), in particular for endoscopic applications, comprising at least two optical systems ( 1 . 16 ), characterized in that at least one optical system ( 1 ) according to at least one of claims 1 to 8. Vorrichtung (15) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Systeme (1, 16) eine gemeinsame Fokusebene (7, 17) aufweisen und die Neigung der jeweiligen Objektgrenzflächen (8, 18) und/oder der optischen Achsen (4) der optischen Systeme (1, 16) zu der gemeinsamen Fokusebene (7, 17) unterschiedlich sind.Contraption ( 15 ) according to claim 9, characterized in that the optical systems ( 1 . 16 ) a common focal plane ( 7 . 17 ) and the inclination of the respective object interfaces ( 8th . 18 ) and / or the optical axes ( 4 ) of the optical systems ( 1 . 16 ) to the common focal plane ( 7 . 17 ) are different.
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