DE102010042540A1

DE102010042540A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kalibrieren eines optischen Systems, Abstandsbestimmungsvorrichtung sowie optisches System

Info

Publication number: DE102010042540A1
Application number: DE102010042540A
Authority: DE
Inventors: Bartosz Kosmecki; Andreas Reutter; Christopher Özbek
Original assignee: Scopis GmbH
Current assignee: Stryker European Operations Ltd
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2030-10-16
Also published as: DE102010042540B4; US20130258353A1; EP2627237B1; WO2012049326A2; WO2012049326A3; US9068820B2; EP2627237A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Kalibrieren einer Abstandsbestimmungsvorrichtung zum Bestimmen eines Abstandes oder Ortsvektors zwischen optischen System und einem Objekt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Erfassungssystems, das eine Mehrzahl von Markierungselementen sowie eine Messkamera zum Erfassen der räumlichen Position der Markierungselemente umfasst; b) Anordnen der Markierungselemente an dem optischen System; c) Bereitstellen eines Trägers, mit dem ein Kalibriermuster verbunden ist und/oder der ein Kalibriermuster ausformt; d) Projizieren einer Lichtstruktur auf den Träger mittels der Abstandsbestimmungsvorrichtung; e) Erfassen der Markierungselemente, des Kalibriermusters und/oder an dem Träger angeordneter Trägermarkierungselemente mittels der Messkamera; f) Ermitteln der räumlichen Position der Markierungselemente und damit des optischen Systems unter Verwendung von Daten der Messkamera; g) Ermitteln von Koordinaten des Kalibriermusters in einem ersten, der Messkamera zugeordneten Koordinatensystem unter Verwendung von Daten der Messkamera; h) Erzeugen eines Bildes des Kalibriermusters und der Lichtstruktur mit einer Kamera des optischen Systems; i) Ermitteln von Koordinaten des Bildes des Kalibriermusters und der Lichtstruktur in einem zweiten, der Bildebene der Kamera zugeordneten Koordinatensystem; und j) Kalibrieren der Abstandsbestimmungsvorrichtung unter Verwendung der ermittelten Koordinaten sowie der ermittelten räumlichen Position des optischen Systems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Systems gemäß Anspruch 1, eine Kalibriervorrichtung gemäß Anspruch 6, eine Abstandsbestimmungsvorrichtung gemäß Anspruch 9 sowie ein optisches System gemäß Anspruch 13.
Aus dem Stand der Technik sind optische Systeme mit einer Abstandsbestimmungsvorrichtung bekannt, die basierend auf dem Prinzip der Triangulation mittels kollimierter Strahlung (insbesondere Laserstrahlung) Distanzen, insbesondere Abstände des optischen Systems zu einem Objekt, ermitteln können. Wird zusätzlich zu dem Abstand auch die räumliche Lage des optischen Systems ermittelt, kann die räumliche Position des Bereiches des Objektes, auf dem die kollimierte Strahlung auftrifft, bestimmt werden.
Das von der vorliegenden Erfindung zu lösende Problem, besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die ein möglichst einfaches und schnelles Kalibrieren einer Abstandsbestimmungsvorrichtung eines optischen Systems ermöglichen. Des Weiteren liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, den Abstand und/oder die räumliche Lage eines optischen Systems möglichst genau und auf möglichst einfache Weise bestimmen zu können.
Diese Probleme werden durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6, durch die Abstandbestimmungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie durch das optische System mit den Merkmalen gemäß Anspruch 13 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird ein Verfahren zum Kalibrieren einer Abstandsbestimmungsvorrichtung zum Bestimmen eines Abstandes oder eines Ortsvektors zwischen einem optischen System und einem Objekt bereitgestellt, mit den Schritten:

a) Bereitstellen eines Erfassungssystems, das eine Mehrzahl von Markierungselementen sowie eine Messkamera zum Erfassen der räumlichen Position der Markierungselemente umfasst;
b) Anordnen der Markierungselemente an dem optischen System;
c) Bereitstellen eines Trägers, mit dem ein Kalibriermuster verbunden ist und/oder der ein Kalibriermuster ausformt;
d) Projizieren einer Lichtstruktur auf den Träger mittels der Abstandsbestimmungsvorrichtung;
e) (Insbesondere gleichzeitiges) Erfassen der Markierungselemente, des Kalibriermusters und/oder an dem Träger angeordneter Trägermarkierungselemente mittels der Messkamera;
f) Ermitteln der räumlichen Position der Markierungselemente und damit des optischen Systems unter Verwendung von Daten der Messkamera;
g) Ermitteln von Koordinaten des Kalibriermusters in einem ersten, der Messkamera zugeordneten Koordinatensystem unter Verwendung von Daten der Messkamera;
h) Erzeugen eines Bildes des Kalibriermusters und der Lichtstruktur mit einer Kamera des optischen Systems;
i) Ermitteln von Koordinaten des Bildes des Kalibriermusters und der Lichtstruktur in einem zweiten, der Bildebene der Kamera zugeordneten Koordinatensystem; und
j) Kalibrieren der Abstandsbestimmungsvorrichtung unter Verwendung der ermittelten Koordinaten sowie der ermittelten räumlichen Position des optischen Systems.

Das Erfassungssystem (das z. B. in Form eines klinischen Messsystems, insbesondere eines klinischen Navigationssystems, oder als Bestandteil eines klinischen Navigationssystems ausgebildet ist) ist ein Detektionssystem, das unter Verwendung der Markierungselemente und der Messkamera eine Bestimmung der Lage eines (insbesondere medizinischen) Instrumentes ermöglicht, beispielsweise eines optischen Systems (z. B. eines Endoskops). Dabei basiert die Messkamera des Erfassungssystems insbesondere auf dem Prinzip einer Stereokamera, d. h. sie weist beispielsweise zwei zueinander beabstandete Sensorelemente (insbesondere CCD-Chips) auf, die von einem Gegenstand (insbesondere von einem Markierungselement des Erfassungssystems) Licht unter unterschiedlichen Winkeln und zu unterschiedlichen Zeitpunkten empfangen, so dass die räumliche Position des Objektes aus den Daten der Sensorelemente rekonstruiert werden kann.
Als Markierungselemente können aktive (selbst leuchtende) Elemente, wie z. B. LEDs, oder passive (nicht selbstleuchtende) Elemente, wie z. B. reflektierende Kugeln, Folien oder spezielle Muster (flache Zielmarken, Lasergravuren oder natürliche Muster wie Ecken und Kanten), verwendet werden. Es ist insbesondere bei Verwendung passiver Markierungselemente möglich, dass die Messkamera Lichtpulse, insbesondere im infraroten Wellenlängenbereich, aussendet, die von den Markierungselementen reflektiert und von der Messkamera wieder detektiert werden.
Somit können die Raumpositionen der Markierungselemente, d. h. ihre Raumkoordinaten in einem vorgegebenen, der Messkamera zugeordneten Koordinatensystem, bestimmt werden. Ist die relative Position der Markierungselemente in Bezug zu dem System, an dem sie angebracht sind, bekannt, kann aus den Raumpositionen der Markierungselemente auf die Position des Systems geschlossen werden, wobei mit dem Begriff „Position” auch die Orientierung des Systems gemeint ist.
Das auf dem Träger angeordnete Kalibriermuster besteht zumindest teilweise aus Markierungselementen, die von der Messkamera erfasst werden können, so dass durch Erfassen des Kalibriermusters durch die Messkamera unmittelbar die räumliche Position des Kalibriermusters bzw. zumindest von Teilen des Kalibriermusters ermittelbar ist. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind alternativ oder zusätzlich von der Messkamera erfassbare Markierungselemente (starr) an dem Träger angeordnet (Trägermarkierungselemente), so dass bei bekannter Position des Kalibriermusters relativ zu den Markierungselementen deren Raumposition (Raumkoordinaten) im Koordinatensystem der Messkamera über die Position der Markierungselemente bestimmt werden kann.
Durch das Anordnen von Markierungselementen (die z. B. ähnlich oder identisch wie die am optischen System angeordneten Markierungselemente ausgebildet sind) an dem Träger ist es insbesondere möglich, ein im Prinzip beliebiges Kalibriermuster vorzusehen, das zwar von der der Abstandsbestimmungsvorrichtung zugeordneten Kamera (die insbesondere Bestandteil des optischen Systems ist, an dem die Abstandsbestimmungsvorrichtung angeordnet ist), nicht jedoch unbedingt von der Messkamera erfassbar sein muss. Beispielsweise sind an dem Träger mindestens drei Markierungselemente angeordnet, von denen mindestens drei von der der Abstandsbestimmungsvorrichtung zugeordneten Kamera erfasst werden.
Die Messkamera des Erfassungssystems wird insbesondere so angeordnet und ausgerichtet, dass sie nicht nur die an dem zu kalibrierenden optischen System angebrachten Markierungselemente erfasst, sondern gleichzeitig auch das Kalibriermuster und/oder die oben erwähnten, an dem Träger angebrachten Trägermarkierungselemente. Analog zur Bestimmung der Positionen der an dem optische System angeordneten Markierungselemente können somit unter Verwendung der Messkamera gleichzeitig auch die Raumkoordinaten des Kalibriermusters ermittelt werden. Beispielsweise weist das Kalibriermuster ein Punkteraster auf, das von der Messkamera mit erfasst wird. Somit werden über die Messkamera (insbesondere zu ein und demselben Zeitpunkt) sowohl die räumliche Position des optischen Systems als auch die Koordinaten des Kalibriermusters (bzw. zumindest von Teilbereichen des Kalibriermusters) ermittelt.
Messkameras (die z. B. Bestandteil eines klinischen Messsystems, speziell eines klinischen Navigationssystems sind) zum Erfassen der Position der Markierungselemente sind an sich bekannt, so dass sie an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden sollen. Ein Beispiel einer kommerziell erhältlichen (und im Prinzip für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten) Messkamera ist das System „CamBar B2” der AXIOS 3D Services GmbH. Die Erfindung ist jedoch selbstverständlich nicht auf die Verwendung einer bestimmten Art oder eines bestimmten Typs einer Messkamera beschränkt.
Mit dem optischen System, dem die zu kalibrierende Abstandsbestimmungsvorrichtung zugeordnet (und an dem sie z. B. befestigt ist), wird ein Bild des Kalibriermusters und der projizierten Lichtstruktur aufgenommen (insbesondere gleichzeitig mit dem Bestimmen der räumlichen Position des Kalibriermusters und des optischen Systems mittels der Messkamera des Erfassungssystems), z. B. weist das optische System eine CCD-Kamera auf, mit der ein Bild (insbesondere in Form eines Videobildes) der Kalibrierstruktur und der erzeugten Lichtstruktur aufgenommen wird.
Die zu kalibrierende Abstandsbestimmungsvorrichtung des optischen Systems, mit der sich insbesondere ein Abstand zwischen einem dem abzubildenden Objekt zuzuwendenden Abschnitt des optischen Systems und dem Objekt bestimmen lässt, weist z. B. Mittel (insbesondere in Form eines Lasers) zum Projizieren der Lichtstruktur auf das abzubildende Objekt auf und wirkt mit einer Abbildungsoptik und einer Kamera des optischen Systems zusammen.
Die Mittel zum Projizieren sind insbesondere so in Bezug auf eine Abbildungsoptik des optischen Systems (z. B. in Form eines Endoskops) zum Abbilden eines Objektes in die Bildebene einer Kamera des optischen Systems (die die „der Abstandsbestimmungsvorrichtung zugeordnete” Kamera ist) angeordnet, dass zwischen dem durch die Mittel zum Projizieren ausgesandten Lichtbündel und dem reflektierten Lichtbündel, das von dem Objekt in die Abbildungsoptik des optischen Systems fällt, ein Winkel (z. B. 30°) besteht, so dass die Position des Bildes des auf dem Objekt erzeugten Lichtmusters in der Bildebene der Kamera von dem Abstand des Objektes zu dem optischen System abhängt. Insbesondere ist auch denkbar, dass mit Hilfe der Abstandsbestimmungsvorrichtung ein Ortsvektor zwischen einem Punkt des optischen Systems und einem Punkt der von der Abstandsbestimmungsvorrichtung projizierten Lichtstruktur bestimmt wird, d. h. es wird nicht nur der Abstand, sondern auch die Orientierung einer Verbindungslinie zwischen diesen Punkten ermittelt.
Das optische System kann auch ein Mikroskop sein, wobei die Abstandsbestimmungsvorrichtung insbesondere einen Lasertriangulationssensor aufweist, der eine Lichtstruktur erzeugt, die zur Kalibrierung im Sichtfeld des Mikrokops auf das abzubildende Objekt projiziert wird. Hierzu werden insbesondere an dem Lasertriangulationssensor Markierungselemente angeordnet, über die seine räumliche Lage ermittelbar ist. Des Weiteren wird ein Kalibriermuster auf einem Träger bereitgestellt, dessen räumliche Lage über Trägermarkierungselemente ebenfalls ermittelbar ist. Der Lasertriangulationssensor wird starr so mit dem Mikroskop verbunden, dass eine von ihm projizierte Lichtstruktur sowie das Kalibriermuster über eine Kamera des Mikroskops abgebildet werden kann. Anhand dieses Bildes sowie der ermittelten Lagen des Kalibriermusters und des Lasertriangulationssensor erfolgt dann die Kalibrierung.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden einerseits Koordinaten des Kalibriermusters in einem ersten (im Prinzip beliebigen) Koordinatensystem der Messkamera und andererseits Koordinaten des Bildes des Kalibriermusters und der Lichtstruktur in einem zweiten Koordinatensystem bestimmt. Das zweite Koordinatensystem ist z. B. ein 2-D-Koordinatensystem, das sich entlang der Bildebene der Kamera des zu kalibrierenden optischen Systems erstreckt. Beispielsweise befindet sich in der Bildebene des optischen Systems ein CCD-Chip, wobei sich der Ursprung des zweiten Koordinatensystems z. B. in der Ebene des CCD-Chips befindet. Es ist auch denkbar, als zweite Koordinaten ein Paar von Pixelnummern, die die lichtempfindlichen Pixel des CCD-Chips kennzeichnen, anzugeben.
Allerdings ist auch möglich, dass das erste Koordinatensystem durch das Kalibriermuster erzeugt wird und die Koordinaten der projizierten Lichtstruktur (z. B. ein Lichtpunkt oder mehrere Lichtpunkte) in Bezug auf diese Koordinaten ermittelt werden. Analog kann das zweite Koordinatensystem durch das Bild des Kalibriermusters in der Bildebene der Kamera definiert sein, wobei die Koordinaten des Bildes der Lichtstruktur in Bezug auf diese Koordinaten angegeben werden. Beispielsweise besteht das Kalibriermuster aus einem Raster von Punkten (oder sonstigen Strukturen) mit konstantem Abstand zueinander, wobei die Punkte des Rasters das erste Koordinatensystem bilden.
Die Ermittlung der Koordinaten der projizierten Lichtstruktur erfolgt nun in Bezug auf diese Koordinaten, wobei die Ermittlung der Koordinaten insbesondere unter Ermittlung des Abstandes zu den nächstgelegenen Punkten des Rasters erfolgt. Analog erfolgt die Ermittlung der Koordinaten des Bildes der Lichtstruktur, wobei das Bild des Punkterasters das zweite Koordinatensystem festlegt. Insbesondere durch Abbildungsfehler (Verzerrungen) der Abbildungsoptik des optischen Systems kann das Punkteraster verzerrt werden, so dass das Bild des Punkterasters ein krummliniges Koordinatensystem erzeugt. Es wird darauf hingewiesen, dass das Kalibriermuster nicht unbedingt in Form eines gleichmäßigen Punkterasters realisiert werden muss. Es kann vielmehr auch ein unregelmäßiges Muster von Lichtstrukturen (z. B. Punkten) aufweisen, das das erste Koordinatensystem definiert.
Es wird ergänzend darauf hingewiesen, dass unter dem Begriff „Kalibrieren” insbesondere ein Justieren oder Kalibrieren gemäß der Definition der Norm DIN 1319 verstanden wird.
Eine „Kalibrierung” ist in der Norm DIN 1319 wie folgt definiert: „Ermitteln des Zusammenhangs zwischen Messwert oder Erwartungswert der Ausgangsgröße und dem zugehörigen wahren oder richtigen Wert der als Eingangsgröße vorliegenden Messgröße für eine betrachtete Messeinrichtung bei vorgegebenen Bedingungen. Bei der Kalibrierung erfolgt kein Eingriff, der das Messgerät verändert”.
Der Begriff „Justierung” wird in der Norm DIN 1319 wie folgt definiert: „Einstellen oder Abgleichen eines Messgerätes, um systematische Messabweichungen so weit zu beseitigen, wie es für die vorgesehene Anwendung erforderlich ist. Justierung erfordert einen Eingriff, der das Messgerät bleibend verändert.”
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung befindet sich das zu kalibrierende optische System während der Schritte d) bis i) in einer ersten Position und wird nach Durchführen der Schritte d) bis i) aus der ersten in eine zweite Position gebracht, wobei das optische System in der zweiten Position z. B. einen anderen Abstand zu dem Träger mit dem Kalibriermuster aufweist als in der ersten Position. Für die zweite Position werden die Schritte d) bis i) abermals durchgeführt. Für die erste und die zweite Position werden jeweils erste Koordinaten des Kalibriermusters in dem ersten Koordinatensystem und zweite Koordinaten des Bildes des Kalibriermusters und der Lichtstruktur in dem zweiten Koordinatensystem bestimmt, wobei das optische System anhand dieser Koordinaten unter Berücksichtigung der jeweils ermittelten räumlichen Position des optischen Systems kalibriert wird.
Mit anderen Worten wird das zu kalibrierende optische System zunächst in die erste Position bewegt und es werden in dieser Stellung Koordinaten des Kalibriermusters und Koordinaten des Bildes des Kalibriermusters und der Lichtstruktur ermittelt. Anschließend wird das optische System aus der ersten Position in eine zweite Position bewegt. Mit dem in der zweiten Position befindlichen optischen System wird wiederum ein Bild des Kalibriermusters und wie für die erste Position die Koordinaten des Kalibriermusters sowie die Koordinaten des Bildes des Kalibriermusters und der Lichtstruktur ermittelt. Darüber hinaus werden jeweils insbesondere auch die Koordinaten der Lichtstruktur in dem ersten, räumlichen Koordinatensystem ermittelt, wobei dies anhand der ersten und zweiten Koordinaten des Kalibriermusters und der zweiten Koordinaten der Lichtstruktur erfolgt.
Für die Kalibrierung der Abstandsbestimmungsvorrichtung werden schließlich sowohl die für die erste Position als auch die für die zweite Position des optischen Systems ermittelten Koordinaten verwendet. Natürlich kann das optische System in mehr als zwei Positionen gebracht werden, wobei für jede dieser Positionen die Koordinaten des Kalibriermusters sowie die Koordinaten des Bildes und der Lichtstruktur ermittelt und die Kalibrierung unter Verwendung sämtlicher dieser bestimmten Koordinaten vorgenommen wird.
Das optische System, an dem die Abstandsbestimmungsvorrichtung festgelegt ist, kann z. B. während des Kalibriervorganges in der Hand gehalten und so z. B. auch von einer Position in eine andere bewegt werden. Das optische System kann natürlich auch in einem Halter angeordnet und z. B. auch in dem Halter relativ zu dem Kalibriermuster (bzw. zu dem Träger, an dem das Kalibriermuster ausgebildet ist) bewegt werden.
Das optische System wird während des Kalibriervorganges z. B. in unterschiedlichen Abständen (z. B. zwischen 0,5 und 20 mm und z. B. in 0,1 mm Schritten) zu dem Träger mit dem Kalibriermuster positioniert, wobei es z. B. entlang einer Geraden bewegt (beispielsweise entlang einer Führung verschoben) wird. Zusätzlich kann das optische System auch unter unterschiedlichen Winkeln zum Träger ausgerichtet werden, wobei z. B. für jeden Winkel verschiedene Abstände des optischen Systems zum Träger durchgefahren werden. Denkbar ist auch, dass zusätzlich mehrere Träger mit unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten verwendet werden.
Beispielsweise sind die mit der Messkamera ermittelten Koordinaten, wie oben bereits erwähnt, Raumkoordinaten, d. h. sie weisen jeweils drei Koordinatenwerte auf, während die Koordinaten des Bildes des Kalibriermusters z. B. Flächenkoordinaten sind, die sich auf die Bildebene der Kamera des optischen Systems beziehen und jeweils nur zwei Koordinatenwerte umfassen. Dadurch, dass mehrere Positionen des optischen Systems in Bezug auf den Träger mit dem Kalibriermuster ausgemessen werden, entsteht eine Mehrzahl von 3D-2D Koordinatenpaaren, die zur Kalibrierung des optischen Systems herangezogen werden.
Die Kalibrierung des optischen Systems unter Verwendung der ermittelten Koordinaten kann z. B. auch darin bestehen, eine Kalibriertabelle (Look-up table) zu erstellen, in der die für jede Position des optischen Systems relativ zu dem Kalibriermuster ermittelten Koordinaten der projizierten Lichtstruktur den Koordinaten des Bildes der Lichtstruktur gegenübergestellt sind. Beispielsweise enthält eine derartige Kalibriertabelle die Raumkoordinaten (im Koordinatensystem der Messkamera) der von der Abstandsbestimmungsvorrichtung erzeugten Lichtstruktur für jede gemessene Position des optischen Systems, denen jeweils die Koordinaten (im Koordinatensystem der Bildebene der Kamera des optischen Systems) des Bildes der Lichtstruktur zugeordnet sind.
Mit Hilfe einer derartigen Kalibriertabelle wird also einer Position des von der Abstandsbestimmungsvorrichtung erzeugten und mit dem optischen System, dem die Abstandsbestimmungsvorrichtung zugeordnet ist, abgebildeten Lichtstruktur (z. B. in Form eines einzelnen Lichtflecks) in der Bildebene des optischen Systems eine Raumposition der Lichtstruktur zugeordnet.
Die Kalibriertabelle kann zusätzlich auch Informationen bezüglich des Winkels zwischen einer optischen Achse des optischen Systems und dem Träger mit dem Kalibriermuster enthalten. Dieser Winkel wird insbesondere unter Verwendung der mit Hilfe der an dem optischen System angeordneten Markierungselemente bestimmten räumlichen Lage des optischen Systems bestimmt.
Es ist darüber hinaus denkbar, dass mit Hilfe der ermittelten Koordinaten des Kalibriermusters und der ermittelten räumlichen Position des optischen Systems ein Abstand oder ein Ortsvektor zwischen dem Träger mit dem Kalibriermuster und dem optischen System bestimmt und dieser Abstand oder Ortsvektor mit der Position des Bildes der Lichtstruktur in der Bildebene des optischen Systems in Beziehung gesetzt wird (z. B. ebenfalls mit einer Kalibriertabelle). Hierzu ist z. B. die relative Position der an dem optischen System angeordneten Markierungselemente und einer dem abzubildenden Objekt zuzuwendenden Seite des optischen Systems bekannt. Beispielsweise handelt es sich bei dem optischen System um ein Endoskop, das eine Spitze aufweist, die dem abzubildenden Objekt zuzuwenden ist, und deren Lage relativ zu den an dem Endoskop angeordneten Markierungselementen bekannt ist. Daher kann durch Ermitteln der Position der Markierungselemente auf die Position der Endoskopspitze geschlossen und anhand der ermittelten Raumkoordinaten der Lichtstruktur ein Abstand zwischen der Endoskopspitze und der projizierten Lichtstruktur bestimmt werden. Auch ist möglich, dass der Betrag und/oder die Richtung eines Differenzvektors zwischen der Position der Endoskopspitze (oder eines sonstigen Referenzpunktes des optischen Systems) und der projizierten Lichtstruktur in Bezug zu den Koordinaten des Bildes der Lichtstruktur in Beziehung gesetzt werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Kalibriervorrichtung zum Kalibrieren einer Abstandsbestimmungsvorrichtung zum Bestimmen eines Ortsvektors zwischen einem bekannten Punkt eines optischen Systems und einem markierten Punkt eines Objekts, insbesondere zum Durchführen eines wie oben beschriebenen Verfahrens, mit

a) einem Träger, mit dem ein Kalibriermuster verbunden ist und/oder der ein Kalibriermuster ausformt;
b) einem Erfassungssystem, das eine Mehrzahl von Markierungselementen sowie eine Messkamera zum Erfassen der räumlichen Position der Markierungselemente, des Kalibriermusters und/oder an dem Träger angeordneter Trägermarkierungselemente umfasst;
c) Positionsermittlungsmitteln zum Ermitteln der räumlichen Position des optischen Systems anhand der Daten der Messkamera;
d) Koordinatenermittlungsmitteln zum Ermitteln von Koordinaten des Kalibriermusters in einem ersten, der Messkamera zugeordneten Koordinatensystem, von Koordinaten eines Bildes des Kalibriermusters und der Lichtstruktur in einem zweiten, der Bildebene einer Kamera des optischen Systems zugeordneten Koordinatensystem; sowie
e) Kalibrierungsmitteln zum Kalibrieren des optischen Systems anhand der ermittelten Koordinaten sowie der ermittelten räumlichen Position des optischen Systems.

Insbesondere sind die Positionsermittlungsmittel Bestandteil des (insbesondere klinischen) Erfassungssystems und z. B. in Form einer Software oder eines entsprechend programmierten elektronischen Bauelementes realisiert. Das „Erfassungssystem” ist, wie weiter oben bereits erläutert, insbesondere in Form eines klinischen Messsystems, insbesondere in Form eines klinischen Navigationssystems, oder in Form eines Bestandteils eines klinischen Messsystems ausgebildet. Die Koordinatenermittlungsmittel und/oder Kalibrierungsmittel sind insbesondere ebenfalls in Form einer Software oder eines entsprechend programmierten elektronischen Bauelementes ausgebildet.
Beispielsweise umfasst die Kalibriervorrichtung zu dem zu kalibrierenden optischen System beabstandet anzuordnende Mittel (insbesondere einen Laser) zum Erzeugen eines Lichtmusters, wie bereits oben beschrieben.
Des Weiteren kann das Kalibriermuster auf den Träger aufgeklebt, aufgedruckt und/oder in den Träger eingeprägt sein. Auch ist möglich, dass der Träger Verbindungsmittel zum Verbinden mit dem optischen System aufweist. Insbesondere sind die Verbindungsmittel so ausgebildet, dass sie eine relative Bewegung zwischen dem Träger und dem optischen System ermöglichen, so dass unterschiedliche Abstände zwischen dem Träger und dem optischen System eingestellt werden können. Beispielsweise umfassen die Verbindungsmittel eine Führung (z. B. eine Schiene), über die das optische System geradlinig gegenüber dem Träger verschoben werden kann.
In einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung eine Abstandsbestimmungsvorrichtung für ein optisches System, insbesondere in Form eines Endoskops, zum Bestimmen eines Abstandes zwischen dem optischen System und einem Objekt, mit

– einem ersten, in Richtung einer optischen Achse des optischen Systems verlaufenden Kanal, in dem ein Abschnitt einer Lichtleitfaser geführt ist, die zum Leiten und Aussenden von Licht in Richtung des Objektes dient; und
– einem zweiten Kanal, in dem ein weiterer Abschnitt der Lichtleitfaser geführt ist und der so verläuft, dass der weitere Abschnitt der Lichtleitfaser in Richtung auf den ersten Kanal umgebogen wird.

Die Lichtleitfaser (insbesondere in Form einer Glasfaser) ist z. B. mit einem Laser der Abstandsbestimmungsvorrichtung gekoppelt und leitet Licht des Lasers zu einer Abstrahlseite des optischen Systems. Der Kanal, in dem die Lichtleitfaser geführt ist, ist insbesondere ein länglicher Hohlkörper, z. B. in Form eines (beispielsweise metallischen) Rohres.
Die Abstandsbestimmungsvorrichtung weist z. B. einen Grundkörper auf, in dem eine Aufnahme für einen entlang der optischen Achse des optischen Systems verlaufenden Lichtführungsschaft des optischen Systems ausgebildet ist. Des Weiteren kann in dem Grundkörper eine Aussparung vorgesehen sein, die den zweiten Kanal zur Führung der Lichtleitfaser ausbildet.
Beispielsweise weist der zweite Kanal einen ersten, zweiten und dritten Abschnitt auf, wobei der zweite Abschnitt mit seinem einen Ende über eine erste Krümmung mit dem ersten Abschnitt und mit seinem anderen Ende über eine zweite Krümmung mit dem dritten Abschnitt verbunden ist. Der zweite Kanal ermöglicht somit eine Umlenkung der Lichtleitfaser bei möglichst geringen Abstrahlverlusten. Beispielsweise beträgt der Krümmungsradius der ersten und/oder der zweiten Krümmung mindestens 5 mm.
Die Erfindung betrifft auch ein optisches System (insbesondere ein Endoskop oder ein Mikroskop) mit der erfindungsgemäßen Abstandsbestimmungsvorrichtung.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein optisches System, mit

– einer Mehrzahl von Markierungselementen zum Ermitteln der räumlichen Position des optischen Systems; und
– Verbindungsmitteln, über die die Markierungselemente schwenkbar mit dem optischen System verbunden sind.

Beispielsweise sind die Markierungselemente, die z. B. wie oben beschrieben ausgebildet sind, an einem gemeinsamen Halter angeordnet, der über die Verbindungsmittel schwenkbar mit dem optischen System verbunden ist.
Gemäß einer Ausgestaltung des optischen Systems sind die Markierungselemente über die Verbindungsmittel um eine Achse schwenkbar, die parallel zu einer optischen Achse des optischen Systems verläuft. Beispielsweise handelt es sich bei dem optischen System um ein (z. B. starres) Endoskop, wobei die optische Achse des Endoskops insbesondere durch die optische Achse des optischen Abbildungssystems des Endoskops festgelegt ist.
Darüber hinaus kann an dem optischen System des optischen Systems eine wie oben beschriebene Abstandsbestimmungsvorrichtung angeordnet sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Kalibriervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Kalibriervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 eine erfindungsgemäße Abstandsbestimmungsvorrichtung ausgestaltet zur Anbringung an einem Endoskop;
5 und 6 Ausschnitte aus 4 in vergrößerter Darstellung;
7 eine perspektivische Ansicht der Abstandsbestimmungsvorrichtung aus 4;
8 eine Detailansicht des Endoskops aus 7;
9A, 9B verschiedene Ansichten eines Teilstücks der Abstandsbestimmungsvorrichtung des Endoskops aus den 7 und 8;
10 eine Vorderansicht der Spitze des Endoskops aus den 7 und 8;
11A, 11B eine weitere perspektivische Ansicht des Endoskops der 7 und 8 in montiertem Zustand bzw. in Explosionsdarstellung; und
12A bis 12C das Endoskop der 7 und 8 für unterschiedliche Schwenkstellungen der Markierungselemente.
Die in 1 dargestellte Kalibriervorrichtung dient zum Kalibrieren einer Abstandsbestimmungsvorrichtung 2 eines optischen Systems in Form eines Endoskops 3. Die Abstandsvorrichtung 2 weist einen Laser (nicht dargestellt) auf, dessen Licht über eine sich mit einem Teilabschnitt entlang eines Endoskopschaftes 31 erstreckende Lichtleitfaser 22 zur Spitze des Endoskops geleitet und auf das mittels des Endoskops zu untersuchende Objekt projiziert wird. Der von der Abstandsvorrichtung auf dem Objekt erzeugte Lichtfleck wird über die Abbildungsoptik und eine Kamera (nicht dargestellt) des Endoskops angebildet, wobei aus der Position des Lichtflecks in der Bildebene der Kamera der Abstand zwischen der Endoskopspitze und dem Objekt ermittelt werden kann.
Die Kalibriervorrichtung 1 umfasst einen Träger 4, mit dem ein Kalibriermuster 5 verbunden ist, und der so positioniert ist, dass mit der Abstandsbestimmungsvorrichtung ein Lichtfleck 8 auf den Träger 4 projiziert und mit der Kamera des Endoskops 3 ein Bild des Kalibriermusters 5 und des Lichtflecks 8 erzeugt werden kann. Das Kalibriermuster 5 besteht aus einer Mehrzahl von rasterartig an dem Träger angeordneten Kalibrierpunkten, die z. B. auf den Träger 4 aufgedruckt oder aufgeklebt sind.
Des Weiteren umfasst die Kalibriervorrichtung 1 ein Erfassungssystem, das mehrere Markierungselemente in Form von reflektierenden Markierungskugeln 6 umfasst. Die Markierungskugeln 6 sind über einen gemeinsamen Halter 6A mit dem Endoskop 3 verbunden. Das Erfassungssystem weist des Weiteren eine Messkamera in Form einer Stereokamera 7 auf, die so angeordnet ist, dass sie gleichzeitig die Markierungskugeln 6 und das Kalibriermuster 5 erfasst. Die Kalibriervorrichtung 1 weist zudem Positionsermittlungsmittel (nicht dargestellt), die aus den Daten der Messkamera 7 die räumliche Position (d. h. die Koordinaten eines oder mehrerer Referenzpunkte des Endoskops sowie dessen Orientierung im Raum) ermitteln. Insbesondere sind die Positionsermittlungsmittel in Form eines entsprechend programmierten Computers ausgebildet.
Die Kalibriervorrichtung weist darüber hinaus Koordinatenermittlungsmittel, die z. B. ebenfalls in Form eines Computerprogramms ausgebildet sind, auf, die anhand der Daten der Messkamera 7 erste Koordinaten in Form von Raumkoordinaten des Kalibriermusters 5 ermitteln.
Darüber hinaus bestimmen die Koordinatenermittlungsmittel auch Koordinaten des mit der Kamera des Endoskops erzeugten Bildes des Kalibriermusters 5 und des Lichtflecks 8 in einem zweiten, der Bildebene der Kamera des optischen Systems zugeordneten Koordinatensystem. Kalibrierungsmittel (die insbesondere ebenfalls als Computerprogramm ausgebildet sind) der Kalibriervorrichtung kalibrieren schließlich die Abstandsbestimmungsvorrichtung 2 des Endoskops anhand der ermittelten (ersten und zweiten) Koordinaten sowie der ermittelten räumlichen Position des optischen Systems.
Das Kalibrieren der Abstandsbestimmungsvorrichtung 2 mit Hilfe der Kalibriervorrichtung 1 erfolgt derart, dass das Endoskop 3 in unterschiedliche Positionen (insbesondere Abstände) relativ zu dem Träger 4 (d. h. zu dem Kalibriermuster 5) gebracht wird und jeweils die Koordinaten des Kalibriermusters 5 im Raum bestimmt werden. Zusätzlich wird mit der Kamera des Endoskops 3 ein Bild des Kalibriermusters 5 und des Lichtflecks 8 erzeugt und mittels der Koordinatenermittlungsmittel die Koordinaten des Kalibriermusters und des Lichtflecks in der Bildebene der Kamera bestimmt. Zudem werden anhand der bekannten Raumkoordinaten des Kalibriermusters sowie der Koordinaten des Bildes des Kalibriermusters und des Bildes des Lichtflecks die Raumkoordinaten des Lichtflecks 8 bestimmt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 besteht das Kalibriermuster 5, wie erwähnt, aus einem Raster von Kalibrierpunkten, wobei jeweils die Koordinaten der einzelnen Kalibrierpunkte bestimmt werden. Die Kalibrierungsmittel erzeugen dann eine Kalibriertabelle, in der beispielsweise für jeden Abstand des Endoskops 3 von dem Kalibriermuster 5 die räumlichen Koordinaten des Lichtflecks 8 auf dem Träger den Koordinaten des Bildes des Lichtflecks 8 gegenübergestellt sind. Somit kann nach der Kalibrierung der Abstandsbestimmungsvorrichtung (d. h. nach Fertigstellung der Kalibriertabelle) einer Position des Lichtflecks in der Bildebene der Kamera eine Raumposition des auf ein Objekt projizierten Lichtflecks zugeordnet werden. Dabei wird es vorkommen, dass die Position des Bildes des Lichtflecks zwischen in der Kalibriertabelle enthaltenen Lichtfleckpositionen liegt, so dass die zugehörige räumliche Position des Lichtflecks auf dem Objekt durch Interpolation der in der Kalibriertabelle erfassten Werte erfolgen muss.
Es ist auch denkbar, dass während des Kalibriervorganges anstelle der Raumposition des auf den Träger projizierten Lichtflecks 8 ein Abstand eines Referenzpunktes (z. B. die Spitze des Schaftes 31 des Endoskops 3) und dem Träger einer Position des Bildes des Lichtflecks zugeordnet wird. Aus der Lage des Lichtflecks in der Bildebene kann dann nach Kalibrierung der Abstandsbestimmungsvorrichtung der Abstand des Referenzpunktes des Endoskops zu dem Objekt bestimmt werden, wobei der Abstand wiederum gegebenenfalls durch Interpolation in der Kalibriertabelle erfasster Werte, die benachbart zu der tatsächlichen Position des Lichtflecks in der Bildebene liegen, ermittelt werden muss.
Es ist auch möglich, dass in der Kalibriertabelle zwar die Raumpositionen des auf dem Träger projizierten Lichtflecks 8 erfasst werden, diese jedoch nicht absolut, sondern relativ zu einem Referenzpunkt des Endoskops (wie oben bereits erwähnt z. B. in Form der Spitze des Endoskops) angegeben werden. Nach Kalibrierung der Abstandsbestimmungsvorrichtung kann dann aus der Position des Bildes des durch die Abstandsbestimmungsvorrichtung auf dem zu untersuchenden Objekt erzeugten Lichtflecks in der Bildebene der Kamera und nach Ermitteln der räumlichen Lage des Endoskops (oder eines anderen optischen Systems) die tatsächliche Lage des Lichtflecks im Raum relativ zu dem Referenzpunkt ermittelt werden.
2 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung dar, die wie die Kalibriervorrichtung der 1 eine Stereokamera 7 sowie ein aus mehreren rasterförmig angeordneten Kalibrierpunkten 51 bestehendes Kalibriermuster 5 umfasst. Das Kalibriermuster ist ebenfalls wie in 1 mit einem Träger 4 verbunden.
Im Unterschied zur 1 ist der Träger 4 mit dem Kalibriermuster 5 jedoch nicht separat zu der Abstandsbestimmungsvorrichtung 2 des Endoskops 3 angeordnet, sondern über Verbindungsmittel in Form einer Führung 41, die mit dem Schaft 31 des Endoskops 3 bewegbar gekoppelt ist. Insbesondere ist der Träger 4 einstückig mit der Führung 41 ausgebildet, wobei die Führung 41 zwei Backen 411 aufweist, in denen jeweils eine Führungsnut 4111 ausgebildet ist, die an die äußeren Abmessungen des Endoskopschaftes 31 sowie eines entlang des Endoskopschaftes 31 verlaufenden Rohres 21, in dem sich die Lichtleitfaser 22 der Abstandsbestimmungsvorrichtung 2 erstreckt, angepasst ist.
Die Führung 41 wird somit auf den Endoskopschaft 31 aufgesetzt und kann während des Kalibriervorganges entlang der optischen Achse des Endoskops, die durch den Verlauf des Schaftes 31 (in dem die Abbildungsoptik des Endoskops angeordnet ist) bestimmt ist, verschoben werden, so dass unterschiedliche Abstände zwischen dem Träger 4 mit dem Kalibriermuster 5 und der Spitzes des Endoskopschaftes 31 eingestellt werden können. Entsprechend werden während des Kalibrierens der Abstandsbestimmungsvorrichtung 2 durch Verschieben der Führung 41 auf dem Endoskopschaft 31 verschiedene Abstände eingestellt und wie oben erläutert jeweils die Koordinaten der Kalibrierpunkte 51 und die Koordinaten der jeweiligen Bilder der Kalibrierpunkte und des von der Abstandsbestimmungsvorrichtung 2 projizierten Lichtflecks 8 in der Bildebene der Kamera ermittelt und eine Kalibriertabelle erzeugt.
3 ist ein Flussdiagramm zur Illustration des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens, das insbesondere unter Verwendung einer Kalibriervorrichtung der 1 oder 2 durchgeführt wird.
Nach Ausrichten der Messkamera auf den Träger mit dem Kalibriermuster wird das optische System bezüglich des Trägers positioniert, so dass mittels der Abstandsbestimmungsvorrichtung des optischen Systems eine Lichtstruktur auf dem Träger erzeugt und der Träger, sowie an dem optischen System angeordnete Markierungselemente von der Messkamera erfasst werden können. (Schritte 101, 102). Beispielsweise wird das optische System so ausgerichtet, dass seine optische Achse (z. B. die Achse des Endoskopschaftes, falls es sich bei dem optischen System um ein Endoskop handelt) zumindest annähernd senkrecht zum Träger orientiert ist.
Anschließend wird überprüft, ob sich das Kalibriermuster und die an dem optischen System angebrachten Markierungselemente des optischen Systems im Sichtbereich der Messkamera des Erfassungssystems befinden (Schritt 103). Ist dies der Fall, werden gemäß den Schritten 104, 105 zum einen das Kalibriermuster und die Lichtstruktur mit einer Kamera des optischen Systems (z. B. auf einen CCD-Chip der Kamera) und die (zweiten) Koordinaten des abgebildeten Kalibriermusters und der Lichtstruktur ermittelt.
Zum anderen werden mit der Messkamera die Position der Markierungselemente („Lokalisator”) und die Position des Kalibriermusters im ersten Koordinatensystem erfasst (Schritt 106), wobei die Messkamera die Lage des Kalibriermusters entweder direkt oder über einen weiteren Lokalisator („Trägermarkierungselemente”) am Träger des Kalibriermusters erfasst.
Nach Bestimmung der (ersten und zweiten) Koordinaten wird ein Eintrag in einer Kalibriertabelle erstellt, der die ermittelten Koordinaten gegenüberstellt (Schritte 107, 108). Anschließend wird das optische System in eine andere Position bewegt und es werden die Schritte 104 bis 108 wiederholt.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Abstandsbestimmungsvorrichtung 2, die an einem Endoskop 3 angeordnet ist. Beispielsweise entsprechen das Endoskop und die Abstandsbestimmungsvorrichtung der 1 und 2 der Anordnung der 4.
Die Abstandsbestimmungsvorrichtung 2 weist einen in Form eines sich entlang einer optischen Achse des Endoskops 3 erstreckenden Rohres 21 ausgebildeten ersten Kanal auf, in dem sich ein erster Abschnitt 221 einer Lichtleitfaser 22 erstreckt. Die optische Achse des Endoskops 3 wird insbesondere durch den Verlauf eines Schaftes 31 (Lichtführungsschaft) des Endoskops bestimmt, in dem sich dessen Abbildungssystem befindet. Das Rohr 21 mit der Lichtleitfaser 22 erstreckt sich so entlang des Schaftes 31, dass es an einer Außenseite des (insbesondere starren) Schaftes 31 anliegt.
Die Abstandsbestimmungsvorrichtung 2 weist zudem einen (z. B. aus einem Metall oder einem Kunststoff gebildeten) Grundkörper 9 auf, der einen zweiten Kanal 91 ausformt, in dem ein zweiter Abschnitt 222 der Lichtleitfaser 22 verläuft und in Richtung auf das Rohr 21 umgebogen wird. Der Grundkörper 9 ist in der 8 vergrößert dargestellt.
Die Lichtleitfaser 22 ist in dem Rohr 21 bis zu einer Spitze 311 des Endoskopschaftes 31 geführt. Das andere Ende der Lichtleitfaser 22, das aus dem Grundkörper 9 austritt, ist insbesondere über einen Stecker 200 mit einer Lichtquelle koppelbar.
Wie bereits in den 1 und 2 gezeigt, sind an dem Endoskop 3 Markierungskugeln 6 zum Bestimmen der räumlichen Position des Endoskops 3 angeordnet. Die Markierungskugeln 6 sind über einen Halter 61, der über Verbindungsmittel 62 (Kopplungsmechanismus) schwenkbar mit dem Grundkörper 9 der Abstandsbestimmungsvorrichtung 2 gekoppelt ist, verbunden. Auf dem Kopplungsmechanismus zum schwenkbaren Verbinden der Markierungskugeln mit dem Grundkörper 9 wird weiter unten im Zusammenhang mit den 12A bis 12C genauer eingegangen.
Die 5 zeigt einen Ausschnitt (in 5 angedeutet durch den Kreis A1) eines vorderen Bereiches (der Spitze) der Abstandsbestimmungsvorrichtung 2 mit dem Abschnitt 221 der Lichtleitfaser 22. Es ist zu erkennen, dass das Rohr 21 mit einem Abschnitt seiner Außenseite an der Außenseite des ebenfalls rohrförmig ausgebildeten Endoskopschaftes 31 anliegt. Das Ende 2211 der Lichtleitfaser 22 ist in einer Kapillare 27, die in das Rohr 21 eingesetzt ist, befestigt (z. B. eingeklebt). Die Kapillare 27 wiederum sitzt in einer Tülle 28, die einen Außendurchmesser aufweist, der in etwa dem Innendurchmesser des Rohres 21 entspricht, wobei die Kapillare 27 in die Tülle 28 eingeklebt und die Tülle ihrerseits an dem Rohr 21 festgelegt (z. B. ebenfalls eingeklebt) sein kann. Unter dem Begriff „Kapillare” und „Tülle” sind hier hohlzylindrische Strukturen gemeint, wobei die eine (die „Kapillare”) einen kleineren Durchmesser als die andere (die „Tülle”) besitzt. Das Ende 2211 der Lichtleitfaser 21 ist mit einer Stablinse 29 gekoppelt, die sich zwischen einem Ende der Kapillare 27 und einer Stirnseite eines Endes 211 des Rohres 21 befindet. Die Stablinse 29 ist insbesondere in Form einer Gradientenindexlinse ausgebildet.
6 zeigt einen weiteren Ausschnitt (Ausschnitt A2) aus 4, nämlich die Verbindung der Lichtleitfaser 22 mit dem Grundkörper 9 der Abstandsbestimmungsvorrichtung 2. Danach ist ein Teilbereich der Lichtleitfaser in ein Adapterrohr 23 eingeklebt (mittels eines Klebstoffes 25) und insbesondere zusätzlich vercrimpt (über eine Crimphülse 24). Das Adapterrohr 23 ragt in eine Schutzumhüllung (Schutzschlauch 26), die die Lichtleitfaser 22 umgibt, hinein.
Der Klebstoff 25 füllt insbesondere einen Raum zwischen der Lichtleitfaser 22 und dem Schutzschlauch 26 aus, um eine möglichst druckdichte Verbindung zwischen dem Adapterrohr und der Lichtleitfaser zu realisieren. Des Weiteren ragt ein Ende des Adapterrohres 23 in eine Bohrung 991 in dem Grundkörper 9 hinein und ist in dieser Bohrung festgelegt (insbesondere ebenfalls verklebt). Um eine möglichst druckdichte Verbindung auch zwischen der Lichtleitfaser und dem Grundkörper 9 zu erreichen, wird der Klebstoff auf den Klebflächen möglichst gleichmäßig aufgebracht.
7 zeigt eine perspektivische Darstellung der Anordnung aus 4. Hierbei ist zu erkennen, dass der Grundkörper 9 im Bereich des zweiten Kanals, durch den hindurch sich der zweite Abschnitt 222 der Lichtleitfaser 22 erstreckt, eine Aussparung 921 aufweist, in die ein Führungselement 922 einsetzbar ist. Die seitliche Ansicht der 8 eines Ausschnitts (im Bereich A3 der 4) zeigt das in die Aussparung 921 eingesetzte Führungselement 922.
Sowohl in dem Grundkörper 9 (innen an die Aussparung 921 angrenzend) als auch in dem Führungselement 922 sind jeweils Ausnehmungen ausgebildet, die zusammen – wenn das Führungselement 922 in den Grundkörper eingesetzt ist – den zweiten Kanal für die Lichtleitfaser sowie eine Aufnahme für den Endoskopschaft bilden. Eine in dem Grundkörper 9 angrenzend an die Aussparung 921 ausgeformte Ausnehmung (Vertiefung, nicht dargestellt) verläuft parallel zum Schaft 31 und weist einen halbkreisförmigen Querschnitt auf. Entsprechend weist auch das Führungselement 922 eine Ausnehmung 9222 mit einem halbkreisförmigen Querschnitt auf, die entlang des Schaftes 31 orientiert ist, wenn das Führungselement 922 in den Grundkörper 9 eingesetzt ist. Somit bildet die Ausnehmung in dem Grundkörper 9 und die Ausnehmung 9222 in dem Führungselement 922 nach Einsetzen des Führungselementes eine Durchgangsöffnung durch den Grundkörper 9, durch die hindurch sich der Endoskopschaft 31 zu einem weiteren Bestandteil des Endoskops (z. B. einer Kamera oder einer sonstigen optischen oder mechanischen Komponente) erstreckt.
Des Weiteren ist in dem Führungselement 922 eine Ausnehmung 9221 gebildet, die zusammen mit einer entsprechenden Ausnehmung in dem Grundkörper 9 (innen angrenzend an die Aussparung 921, d. h. in einem Bodenbereich der Aussparung 921) den zweiten Kanal 91 zur Führung des zweiten Abschnitts 222 der Lichtleitfaser 22 ausformt. Die Ausnehmung 9221 ist ähnlich wie die halbkreisförmige Öffnung 9222 für den Endoskopschaft 31 nicht in Form einer Durchgangsöffnung, sondern zu einer Seite des Führungselementes hin offen ausgebildet, so dass der zweite Kanal erst durch Einsetzen des Führungselementes 922 in den Grundkörper komplettiert wird. Insbesondere wird der Einsatz 922 nach dem Einsetzen in die Aussparung 921 mit dem Grundkörper 9 verbunden (insbesondere verschweißt).
Der nach dem Einsetzen des Einsatzes 922 entstandene zweite Kanal 91 weist insbesondere einen ersten, zweiten und dritten Abschnitt auf, so dass die Ausnehmung 9221 in dem Führungselement 922 entsprechende Abschnitte 9221a bis 9221c aufweist. Der zweite Abschnitt 9221b (der mittlere Abschnitt) ist jeweils über eine Krümmung mit dem ersten bzw. mit dem zweiten Abschnitt 9221a, 9221c verbunden, so dass eine durch den zweiten Kanal hindurch geführte Lichtleitfaser zwar um ca. 90° umgebogen werden kann, der Biegeradius jedoch möglichst groß bleibt; beispielsweise weisen die erste und die zweite Krümmung einen Krümmungsradius von mindestens 5 mm auf.
10 zeigt einen Querschnitt durch den Endoskopschaft 31 des Endoskops 3 und dem entlang des Endoskopschaftes 31 angeordneten Rohres 21, in dem der Abschnitt 221 der Lichtleitfaser 22 der Abstandsbestimmungsvorrichtung geführt ist. In dem rohrförmig ausgebildeten Endoskopschaft 31 ist eine Abbildungsoptik 32 (insbesondere in Form einer Stablinse) exzentrisch in Bezug auf den Mittelpunkt des Schaftes 31 angeordnet. Im nicht von der Abbildungsoptik 32 ausgefüllten Innenraum des Schaftes 31 können sich weitere Lichtleitfasern erstrecken, über die Licht zur Beleuchtung eines mittels des Endoskops abzubildenden Objektes geführt werden kann.
Das Rohr 21 mit der Lichtleitfaser 22 ist an einem Abschnitt der Außenseite des Endoskopschaftes 31 angeordnet, der einen möglichst großen Abstand von der Achse der Abbildungsoptik 32 (d. h. von der optischen Achse des Endoskops) aufweist, damit ein möglichst großer Abstand zwischen der Achse der Lichtleitfaser und optischen Achse des Endoskops entsteht, da die Genauigkeit der Abstandsmessung mit größer werdendem Abstand zwischen diesen beiden Achsen zunimmt.
Die 11A, 11B zeigen das Endoskop der 4 und 7 in perspektivischer (11A) bzw. Explosionsdarstellung (11B).
Die 12A bis 12C zeigen wiederum das Endoskop der 4 und 7, jedoch für verschiedene Positionen der Markierungskugeln 6. Wie bereits zuvor erwähnt, sind die Markierungskugeln 6 über einen Halter 61, der sich aus einem T-förmigen ersten Teil 6110 und einem sich zu diesem ersten Teil senkrecht erstreckenden, stabförmigen zweiten Teil 6111 zusammensetzt, mit dem Grundkörper 9 der Abstandsbestimmungsvorrichtung verbunden.
Der Halter 61 ist über das zweite Teil 6111 mit einem Gelenk eines Schwenkmechanismus 62 verbunden, der ein Schwenken des Halters 61 und damit einer Ausrichtung der Markierungskugeln 6 relativ zum dem Grundkörper 9 ermöglicht. Dies hat zum einen den Sinn, dass die Markierungskugeln 6 so positioniert werden können, dass sie gut von der Messkamera (vergleiche 1 und 2) erfasst werden können. Zum anderen können die Markierungskugeln auf reproduzierbare Weise in vordefinierte Positionen gebracht werden. Insbesondere können die Markierungskugeln so positioniert werden, dass sie das Arbeiten mit dem Endoskop möglichst wenig behindern. Die Position der Markierungskugeln kann beim Kalibrieren des Endoskops (siehe oben) ermittelt werden.
Der Schwenkmechanismus 62 weist ein zylindrisches Element 622 auf, an dem das Teil 6111 des Halters 61 festgelegt ist (an der Mantelfläche des Elementes 622). An einer Stirnseite (die dem Endoskopschaft 31 abgewandt ist) weist das zylindrische Element 622 ein Gewinde auf, in das ein Stift 6231 einer Arretierkappe 623 eingeschraubt ist (vgl. 4). Die Arretierkappe 623 durchgreift zudem eine Bohrung in einem zwischen der Arretierkappe und dem zylindrischen Element angeordneten Wandelement 95 des Grundkörpers 9, so dass das Teil 6111 und damit die Markierungskugeln 6 an dem Grundkörper festgelegt sind, jedoch entlang der Achse des Stiftes 6231 der Arretierkappe gedreht werden kann, wenn die Arretierkappe gelöst ist. Insbesondere verläuft der Stift 6231 in Richtung der optischen Achse (bzw. des Schaftes 31) des Endoskops 3, so dass die Markierungskugeln 6 (d. h. die Ebene, entlang der die Markierungskugeln angeordnet sind) um eine zur optischen Achse des Endoskops 3 parallel verlaufende Achse gedreht werden können.
Bezugszeichenliste

1: Kalibriervorrichtung
2: Abstandsbestimmungsvorrichtung
3: Endoskop
4: Träger
5: Kalibriermuster
6: Markierungskugel
7: Messkamera
8: Lichtfleck
9: Grundkörper
21: Rohr
22: Lichtleitfaser
23: Adapterrohr
24: Crimphülse
25: Klebstoff
26: Schutzschlauch
27: Kapillare
28: Tülle
29: Stablinse
31: Endoskopschaft
32: Abbildungsoptik
41: Führung
51: Kalibrierpunkt
61: Halter
62: Schwenkmechanismus
91: zweiter Kanal
95: Wandabschnitt
200: Stecker
211: Stirnseite des Rohrendes
221: erster Abschnitt
222: zweiter Abschnitt
311: Spitze des Endoskopschaftes
411: Backe
622: Zylinderelement
623: Arretierkappe
921: Aussparung
922: Führungselement
991: Bohrung
2211: Ende der Lichtleitfaser
4111: Nut
6110: erstes Teil
6111: zweites Teil
6231: Stift
9221, 9222: Ausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm DIN 1319 [0020]
Norm DIN 1319 [0021]
Norm DIN 1319 [0022]

Claims

Verfahren zum Kalibrieren einer Abstandsbestimmungsvorrichtung zum Bestimmen eines Abstandes oder Ortsvektors zwischen einem optischen System und einem Objekt, mit den Schritten: a) Bereitstellen eines Erfassungssystems, das eine Mehrzahl von Markierungselementen sowie eine Messkamera zum Erfassen der räumlichen Position der Markierungselemente umfasst; b) Anordnen der Markierungselemente an dem optischen System; c) Bereitstellen eines Trägers, mit dem ein Kalibriermuster verbunden ist und/oder der ein Kalibriermuster ausformt; d) Projizieren einer Lichtstruktur auf den Träger mittels der Abstandsbestimmungsvorrichtung; e) Erfassen der Markierungselemente, des Kalibriermusters und/oder an dem Träger angeordneter Trägermarkierungselemente mittels der Messkamera; f) Ermitteln der räumlichen Position der Markierungselemente und damit des optischen Systems unter Verwendung von Daten der Messkamera; g) Ermitteln von Koordinaten des Kalibriermusters in einem ersten, der Messkamera zugeordneten Koordinatensystem unter Verwendung von Daten der Messkamera; h) Erzeugen eines Bildes des Kalibriermusters und der Lichtstruktur mit einer Kamera des optischen Systems; i) Ermitteln von Koordinaten des Bildes des Kalibriermusters und der Lichtstruktur in einem zweiten, der Bildebene der Kamera zugeordneten Koordinatensystem; und j) Kalibrieren der Abstandsbestimmungsvorrichtung unter Verwendung der ermittelten Koordinaten sowie der ermittelten räumlichen Position des optischen Systems.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – sich das optische System während der Schritte d)–i) in einer ersten Position relativ zu dem Träger mit dem Kalibriermuster befindet, das optische System nach Durchführen der Schritte d)–i) aus der ersten in eine zweite Position relativ zu dem Träger gebracht und die Schritte d)–i) abermals durchgeführt werden, wobei – für die erste und die zweite Position des optischen Systems jeweils erste Koordinaten des Kalibriermusters in dem ersten Koordinatensystem und zweite Koordinaten des Bildes des Kalibriermusters und der Lichtstruktur in dem zweiten Koordinatensystem bestimmt und die Abstandsbestimmungsvorrichtung anhand dieser Koordinaten unter Berücksichtigung der jeweils ermittelten räumlichen Position des optischen Systems kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrieren gemäß Schritt j) das Ermitteln von Koordinaten der Lichtstruktur in dem ersten Koordinatensystem anhand der ersten und zweiten Koordinaten des Kalibriermusters und der zweiten Koordinaten der Lichtstruktur sowie das Erstellen einer Kalibriertabelle umfasst, in der für die erste und die zweite Position des optischen Systems jeweils die ermittelten Koordinaten der Lichtstruktur in dem ersten Koordinatensystem und die zweiten Koordinaten der Lichtstruktur gegenübergestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der bestimmten Koordinaten des Kalibriermusters und der Lichtstruktur sowie der bestimmten räumlichen Position des optischen Systems jeweils für die erste und die zweite Position des optischen Systems ein Ortsvektor zwischen einem Punkt der Lichtstruktur und einem Punkt des optischen Systems bestimmt wird und das Kalibrieren gemäß Schritt j) das Zuordnen dieses Ortsvektors zu den ermittelten zweiten Koordinaten der Lichtstruktur umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der räumlichen Position des optischen Systems mit Hilfe der Markierungselemente das Bestimmen einer Position einer Vorderseite des optischen Systems umfasst, die bei Verwendung des optischen Systems zum Abbilden eines Objektes diesem Objekt zuzuwenden ist.
Kalibriervorrichtung zum Kalibrieren einer Abstandsbestimmungsvorrichtung zum Bestimmen eines Abstandes oder Ortvektors zwischen einem optischen System und einem Objekt, insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit a) einem Träger, mit dem ein Kalibriermuster verbunden ist und/oder der ein Kalibriermuster ausformt; b) einem Erfassungssystem, das eine Mehrzahl von Markierungselementen sowie eine Messkamera zum Erfassen der räumlichen Position der Markierungselemente, des Kalibriermusters und/oder an dem Träger angeordneter Trägermarkierungselemente umfasst; c) Positionsermittlungsmitteln zum Ermitteln der räumlichen Position des optischen Systems anhand der Daten der Messkamera; d) Koordinatenermittlungsmitteln zum Ermitteln von Koordinaten des Kalibriermusters in einem ersten, der Messkamera zugeordneten Koordinatensystem, von Koordinaten eines Bildes des Kalibriermusters und der Lichtstruktur in einem zweiten, der Bildebene einer Kamera des optischen Systems zugeordneten Koordinatensystem; sowie e) Kalibrierungsmitteln zum Kalibrieren des optischen Systems anhand der ermittelten Koordinaten sowie der ermittelten räumlichen Position des optischen Systems.
Kalibriervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibriermuster auf den Träger aufgeklebt, aufgedruckt und/oder in den Träger eingeprägt ist.
Kalibriervorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger Verbindungsmittel zum Verbinden mit dem optischen System aufweist.
Abstandsbestimmungsvorrichtung für ein optisches System, insbesondere in Form eines Endoskops, zum Bestimmen eines Abstandes oder Ortsvektors zwischen dem optischen System und einem Objekt, mit – einem ersten, in Richtung einer optischen Achse des optischen Systems verlaufenden Kanal, in dem ein Abschnitt einer Lichtleitfaser geführt ist, die zum Leiten und Aussenden von Licht in Richtung des Objektes dient; und – einem zweiten Kanal, in dem ein weiterer Abschnitt der Lichtleitfaser geführt ist und der so verläuft, dass der weitere Abschnitt der Lichtleitfaser in Richtung auf den ersten Kanal umgebogen wird.
Abstandsbestimmungsvorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Grundkörper aufweisen, in dem eine Aufnahme für einen entlang der optischen Achse des optischen Systems verlaufenden Lichtführungsschaft des optischen Systems ausgebildet ist, wobei der zweite Kanal in Form einer Aussparung in dem Grundkörper ausgebildet ist.
Abstandsbestimmungsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanal einen ersten, zweiten und dritten Abschnitt aufweist, wobei der zweite Abschnitt mit seinem einen Ende über eine erste Krümmung mit dem ersten Abschnitt und mit seinem anderen Ende über eine zweite Krümmung mit dem dritten Abschnitt verbunden ist.
Abstandsbestimmungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius der ersten und/oder der zweiten Krümmung mindestens 5 mm beträgt.
Optisches System, mit – einer Mehrzahl von Markierungselementen zum Ermitteln der räumlichen Position des optischen Systems; – Verbindungsmitteln, über die die Markierungselemente schwenkbar mit dem optischen System verbunden sind.
Optisches System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungselemente an einem gemeinsamen Halter angeordnet sind, der über die Verbindungsmittel schwenkbar mit dem optischen System verbunden ist.
Optisches System nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungselemente über die Verbindungsmittel um eine Achse schwenkbar sind, die parallel zu einer optischen Achse des optischen Systems verläuft.
Optisches System nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System ein Endoskop ist.