Title:
Bohrungsinspektionsvorrichtung
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Eine Bohrungsinspektionsvorrichtung (2) zum Inspizieren einer Innenfläche (32) einer Bohrung in einem Werkstück weist einen als in die zu inspizierende Bohrung einführbares und in unterschiedliche axiale Positionen relativ zu der Bohrung bewegbares Endoskop ausgebildeten Messkopf (4) auf, der eine Abbildungsoptik (6) mit Rundumsicht zum Abbilden der Innenfläche (32) der Bohrung aufweist, wobei die Abbildungsoptik (6) zur Abbildung eines ringförmigen Abbildungsbereiches der Innenfläche (32) auf einen digitalen Bildsensor (8) ausgebildet und eingerichtet ist und einen Abbildungsstrahlengang definiert. Die Vorrichtung 2 weist ferner eine Lichtquelle zum Beleuchten des Abbildungsbereiches der Innenfläche mit Abbildungslicht, wobei die Lichtquelle einen Beleuchtungsstrahlengang definiert. Erfindungsgemäß weist die Lichtquelle einen distal vor der Abbildungsoptik angeordneten Träger (12) auf, an dem eine Lumineszenzquelle (14) angeordnet ist, die durch Anregungslicht einer Anregungslichtquelle (16) anregbar ist oder angeregt wird, wobei Mittel zur Einkopplung des Beleuchtungsstrahlenganges in den Abbildungsstrahlengang vorgesehen sind.





Inventors:
Volk, Raimund, Dr. (78056, Villingen-Schwenningen, DE)
Application Number:
DE102016112010A
Publication Date:
09/28/2017
Filing Date:
06/30/2016
Assignee:
JENOPTIK Industrial Metrology Germany GmbH, 78056 (DE)
International Classes:
G02B23/24; F21K2/00; G01N21/954; G03B37/00
Domestic Patent References:
DE102011117618A1N/A2013-05-08
DE102009019459A1N/A2010-12-02
DE102008009975A1N/A2009-08-27
DE202009006425U1N/A2009-07-23
DE102007015492A1N/A2008-07-31
DE19806261B4N/A2006-05-11
Foreign References:
200201836262002-12-05
201000103142010-01-14
JP2007175210A2007-07-12
JP200729653A
EP25899532013-05-08
45667631986-01-28
54734741995-12-05
JP2007029653A2007-02-08
48992771990-02-06
200602175932006-09-28
55439721996-08-06
DD33602A
Other References:
"Neue Entwicklungen für die automatische Sichtprüfung von Innenflächen", Klaus Spinnler et al., DGZfP-Jahrestagung 2007 – Vortrag 73, Seite 1–10
"Handbuch zur industriellen Bildverarbeitung-Qualitätssicherung in der Praxis", Norbert Bauer (Hrsg.), 1. Auflage, Stuttgart, Frauenhofer-IRB-Verlag 2007, Seite 124–131
Aufsatz „Characterization of the Panoramic Annular Lens“, David L. Lehner et al., Experimental Mechanics, Dezember 1996, Volume 36, Issue 4, S. 333–338
Attorney, Agent or Firm:
Wagner, Carsten, Dipl.-Ing. (Univ.), 31303, Burgdorf, DE
Claims:
1. Bohrungsinspektionsvorrichtung (2) zum Inspizieren einer Innenfläche (32) einer Bohrung in einem Werkstück,
mit einem als in die zu inspizierende Bohrung einführbares und in unterschiedliche axiale Positionen relativ zu der Bohrung bewegbares Endoskop ausgebildeten Messkopf (4), der eine Abbildungsoptik (6) mit Rundumsicht zum Abbilden der Innenfläche (32) der Bohrung aufweist, wobei die Abbildungsoptik (6) zur Abbildung eines ringförmigen Abbildungsbereiches der Innenfläche (32) auf einen digitalen Bildsensor (8) ausgebildet und eingerichtet ist und einen Abbildungsstrahlengang definiert, und
mit einer Lichtquelle zum Beleuchten des Abbildungsbereiches der Innenfläche mit Abbildungslicht, wobei die Lichtquelle einen Beleuchtungsstrahlengang definiert,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtquelle einen distal vor der Abbildungsoptik angeordneten Träger (12) aufweist, an dem eine Lumineszenzquelle (14) angeordnet ist, die durch Anregungslicht einer Anregungslichtquelle (16) anregbar ist oder angeregt wird und dass Mittel zur Einkopplung des Beleuchtungsstrahlenganges in den Abbildungsstrahlengang vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (12) an der Frontlinse der Abbildungsoptik (6) befestigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontlinse den Träger (12) trägt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lumineszenzquelle (14) und/oder der Träger (12) zu der optischen Achse rotationssymmetrisch oder annähernd rotationssymmetrisch ausgebildet ist bzw. sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Träger (12) zum Bilden der Lumineszenzquelle (14) lumineszierendes Material angeordnet, insbesondere in Form einer Beschichtung, und dass der Träger (12) Mittel zum Richten des entlang der optischen Achse (20) eingestrahlten Anregungslichts auf das lumineszierende Material aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das lumineszierende Material an einer zur optischen Achse (20) geneigten, insbesondere konischen, und/oder gewölbten Fläche des Trägers (12) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Richten des entlang der optischen Achse (20) eingestrahlten Anregungslichts auf das lumineszierende Material einen vorzugsweise koaxial zu der optischen Achse (20) ausgebildeten, vorzugswese konischen oder annähernd konischen Spiegel (30) aufweist, mittels dessen das Anregungslicht in Richtung auf das lumineszierende Material reflektierbar ist oder reflektiert wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Reduzierung von Streulicht.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die distalseitigen optischen Flächen der Abbildungsoptik (6) mit einer Verspiegelung versehen sind, die im Bereich der optischen Achse (20) unterbrochen oder für das Anregungslicht überwiegend transparent ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Reduzierung von Streulicht eine zwischen der Abbildungsoptik (6) und der Lumineszenzquelle (14) angeordnete Blende aufweisen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende als Lochblende ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Reduzierung von Streulicht ein im Bereich der optischen Achse zwischen der Lumineszenzquelle (14) und der Abbildungsoptik (6) angeordnetes optisches Sperrfilter aufweisen, das für das Anregungslicht überwiegend transparent und für das Abbildungslicht überwiegend sperrend ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Reduzierung von Streulicht wenigstens ein in Strahlrichtung des Streulichts vor dem Bildsensor angeordnetes, für die Wellenlänge des Anregungslichts überwiegend sperrendes optisches Sperrfilter (36) aufweisen

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungslichtquelle (16) wenigstens einen Laser und/oder wenigstens eine Leuchtdiode (LED) und/oder wenigstens eine Superlumineszenzdiode (SLD) aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Einkopplung des Beleuchtungsstrahlenganges in den Abbildungsstrahlengang wenigstens einen Einkopplungsspiegel (18) aufweisen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkopplungsspiegel (18) ein dichroitischer Spiegel ist, der für das Anregungslicht überwiegend reflektiv und für das Abbildungslicht überwiegend transmissiv ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungslichtquelle (16) für eine Erzeugung von relativ kurzwelligem Anregungslicht und die Lumineszenzquelle für eine Erzeugung von relativ langwelligem Abbildungslicht ausgebildet und eingerichtet ist.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Messkopf (4) ein in Axialrichtung wirkendes Federmittel zugeordnet ist.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (6) distalseitig zentrisch eine erste optische Fläche (24) aufweist, die konkav und für das Abbildungslicht reflektierend sowie im Bereich der optischen Achse für das Anregungslicht überwiegend transparent, vorzugsweise hochtransparent, ausgebildet ist, und dass die Abbildungsoptik (6) in Radialrichtung der optischen Achse (20) außen von der ersten optischen Fläche (24) eine zweite optische Fläche (26) aufweist, die konvex und für das Abbildungslicht brechend ausgebildet ist.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (6) proximalseitig eine dritte optische Fläche (28) aufweist, die wenigstens abschnittsweise konvex und im Bereich der optischen Achse (20) für das Abbildungslicht durchlässig und entfernt von der optischen Achse (20) für das Abbildungslicht reflektierend ausgebildet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die für das Abbildungslicht reflektierend ausgebildeten optischen Flächen verspiegelt sind.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Bohrungsinspektionsvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zum Inspizieren einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise durch DE 198 06 261 B4 bekannt. Dabei hat die Optik die Form eines Endoskopes, das linear bewegt wird, wodurch Einzelbilder als Primärbilder zur Verfügung stehen. Diese werden durch eine digitale Kamera aufgenommen und in digitaler Form zunächst gespeichert und dann durch eine Polarkoordinaten-Transformation zu einem rechteckigen Bild umgeformt, in dem die Primärbilder zu einem Gesamtbild der Innenfläche des Hohlraums zusammengefügt werden. Der Verarbeitung und Transformation der Primärbilder liegt jeweils deren gesamter Informationsinhalt zugrunde, was zur Folge hat, daß die Zeit für die Verarbeitung der Signale verhältnismäßig groß ist.

Es ist eine Vorrichtung der betreffenden Art zur Abbildung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück bekannt, die eine Optik mit Rundumblick (Rundumsicht) aufweist, die mit einem Bildsensor und einer nachgeordneten Auswertungseinrichtung in Bildübertragungsverbindung steht. Die bekannte Vorrichtung weist ferner eine Lichtquelle zum Beleuchten eines von der Optik erfassten Abbildungsbereiches der Innenfläche auf. Bei der bekannten Vorrichtung ist die Optik an einem axialen Ende eines Stabes angeordnet, wobei die Lichtquelle in der Nähe der Optik mit geringem Abstand zu dem axialen Ende des Stabes angeordnet ist.

Die bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, dass sie zur Durchführung von Untersuchungen in engen Hohlräumen, beispielsweise Bohrungen, weniger geeignet ist, da in diesen Fällen eine ausreichende Beleuchtung der abzubildenden Innenfläche des Hohlraumes unter Umständen nicht gewährleistet ist.

Durch US 5,543,972 ist eine Vorrichtung zur Abbildung der Innenfläche eines Bohrloches bekannt, die eine Optik mit Rundumblick aufweist, die mit einem Bildsensor und einer nachgeordneten Auswertungseinrichtung in Bildauswertungsverbindung steht. Die bekannte Vorrichtung weist ferner eine Lichtquelle zum Beleuchten eines von der Optik erfassten Abbildungsbereiches der Innenfläche des Bohrloches auf.

Durch US 4,899,277 ist ein Scanner zum Scannen von Bohrlöchern bekannt, der eine Positionsdetektionsvorrichtung und eine Beleuchtungsvorrichtung aufweist.

Durch US 2006/0217593 A1 ist eine als verschluckbare Kapsel ausgebildete Vorrichtung für in-vivo-Untersuchung bekannt, die eine Panorama-Optik aufweist.

Durch DD 33 602 ist ein Verfahren zur Untersuchung der Innenwandung von Hohlkörpern, insbesondere Rohren mittels Fernsehübertragung bekannt, bei dem das Objektiv einer Fernsehkamera nach Art eines Endoskops in den zu untersuchenden Hohlkörper eingebracht wird. Bei dem bekannten Verfahren wird ein Konusspiegel verwendet und die auf diesen Spiegel abgebildete Hohlkörperwandung mittels einer Spiralabtastung der Aufnahmeröhre aufgenommen und mittels eines Bildwiedergabegeräts mit normaler linearer Bildablenkung wiedergegeben. Dadurch entsteht auf dem Bildwiedergabegerät eine Abwicklung der Hohlkörperwandung. Bei dem bekannten Verfahren wird eine Lichtquelle verwendet, die als Gegenlichtquelle zu dem Objektlicht der Fernsehkameraangeordnet ist.

Durch die Literaturstellen "Neue Entwicklungen für die automatische Sichtprüfung von Innenflächen", Klaus Spinnler et al., DGZfP-Jahrestagung 2007 – Vortrag 73, Seite 1–10, und "Handbuch zur industriellen Bildverarbeitung-Qualitätssicherung in der Praxis", Norbert Bauer (Hrsg.), 1. Auflage, Stuttgart, Frauenhofer-IRB-Verlag 2007, Seite 124–131 ist jeweils eine als Endoskop ausgebildete Vorrichtung der betreffenden Art zur Abbildung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück bekannt. Die aus diesen Literaturstellen bekannte Vorrichtung weist eine Optik mit Rundumblick auf, die mit einem Bildsensor und einer nachgeordneten Auswertungseinrichtung in Bildübertragungsverbindung steht. Ferner ist eine Lichtquelle zum Beleuchten eines von der Optik erfassten Abbildungsbereiches der Innenfläche vorgesehen, wobei die Lichtquelle als Gegenlichtquelle zu der Optik angeordnet ist.

Eine entsprechende Vorrichtung ist auch durch DE 10 2007 015 492 A1 bekannt.

Durch DE 10 2008 009975 B4 ist eine Bohrungsinspektionsvorrichtung zum Inspizieren einer Innenfläche einer Wohnung in einem Werkstück bekannt, die einen als in die zu inspizierende Bohrung einführbares und in unterschiedliche axiale Positionen relativ zu der Bohrung bewegbares Endoskop ausgebildeten Messkopf aufweist, der eine Abbildungsoptik mit Rundumsicht zum Abbilden der Innenfläche der Bohrung aufweist, wobei die Abbildungsoptik zur Abbildung eines ringförmigen Abbildungsbereiches der Innenfläche auf einen digitalen Bildsensor ausgebildet und eingerichtet ist. Zum Beleuchten des Abbildungsbereiches mit Abbildungslicht ist eine Lichtquelle vorgesehen. Bei der bekannten Vorrichtung ist die Lichtquelle als Gegenlichtquelle zu der Optik angeordnet, wobei der Abstand zwischen der Lichtquelle und der Optik derart einstellbar ist, dass ein Wechsel zwischen Hellfeldbeleuchtung und Dunkelfeldbeleuchtung ermöglicht ist.

Durch EP 2 589 953 A2 (entsprechend DE 10 2011 117618 A1) ist eine Bohrungsinspektionsvorrichtung der betreffenden Art zum Inspizieren einer Innenfläche einer Wohnung in einem Werkstück bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist einen als in die zu inspizierende Bohrung einführbares und in unterschiedliche axiale Positionen relativ zu der Bohrung bewegbares Endoskop ausgebildeten Messkopf auf, der eine Abbildungsoptik mit Rundumsicht zum Abbilden der Innenfläche der Bohrung aufweist, wobei die Abbildungsoptik zur Abbildung eines ringförmigen Abbildungsbereiches der Innenfläche auf einen digitalen Bildsensor ausgebildet und eingerichtet ist und einen Abbildungsstrahlengang definiert. Die Vorrichtung weist ferner eine Lichtquelle zum beleuchten des Abbildungsbereiches der Innenfläche mit Abbildungslicht auf, wobei die Lichtquelle einen Beleuchtungsstrahlengang definiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Bohrungsinspektionsvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, die auch zum Inspizieren besonders enger Bohrungen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Die Erfindung sieht eine Lumineszenzquelle vor, die an einem distalseitig vor der Optik angeordneten Träger angeordnet ist. Die Lumineszenzquelle ist durch Anregungslicht einer Anregungslichtquelle anregbar. Beispielsweise und insbesondere kann der Träger an der Frontlinse der Optik befestigt sein, wie dies aus der EP 2 589 953 A2 bekannt ist, wobei der Träger zum Bilden der Lumineszenzquelle beispielsweise und insbesondere mit einem lumineszierenden Material beschichtet sein kann. Im Vergleich zu anderen Lichtquellen, beispielsweise Leuchtdioden, hat das lumineszierende Material nur einen äußersten geringen Raumbedarf. Eine entsprechende Anordnung aus Abbildungsoptik und Träger der Lumineszenzquelle kann daher mit besonders geringem Durchmesser gefertigt werden, so dass das Endoskop auch in besonders enge Bohrungen, beispielsweise mit einem Durchmesser von nur wenigen Millimetern, eingeführt werden kann.

Die Erfindung sieht ferner Mittel zur Einkopplung des Beleuchtungsstrahlenganges in den Abbildungsstrahlengang vor, derart, dass der Beleuchtungsstrahlengang wenigstens abschnittsweise mit dem Abbildungsstrahlengang koinzident ist. Beispielsweise und insbesondere können die Mittel zur Einkopplung des Beleuchtungsstrahlenganges in den Abbildungsstrahlengang ein optisches Umlenkmittel, beispielsweise einen Spiegel oder einen Strahlteiler, aufweisen, mittels dessen der Beleuchtungsstrahlengang umgelenkt und in den Abbildungsstrahlengang eingekoppelt wird. Beispielsweise kann die Strahlachse der Anregungslichtquelle zu der optischen Achse der Abbildungsoptik um 90° versetzt angeordnet sein, wobei das Anregungslicht über das optische Umlenkmittel um 90° umgelenkt und dadurch der Beleuchtungsstrahlengang in den Abbildungsstrahlengang eingekoppelt wird. Auf diese Weise kann die Anregungslichtquelle entfernt von dem Endoskop an einer beliebigen geeigneten Stelle angeordnet werden, ohne den Durchmesser des Endoskops zu vergrößern.

Damit das Anregungslicht nicht die optische Abbildung mittels des Abbildungslicht beeinflusst, erzeugen die Anregungslichtquelle einerseits und die Lumineszenzlichtquelle Licht unterschiedlicher Wellenlängen bzw. in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen.

Die Erfindung stellt damit eine Vorrichtung bereit, die auch zum Inspizieren von besonders engen Bohrungen bis zu einem Durchmesser von nur wenigen Millimetern geeignet ist.

Grundsätzlich kann der Träger der Lumineszenzquelle ein unabhängig von der Abbildungsoptik angeordnetes Bauteil sein. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung jedoch vor, dass der Träger an der Frontlinse der Abbildungsoptik befestigt ist. Auf diese Weise bilden die Optik und der Träger mit der Lumineszenzquelle eine kompakte Baueinheit.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass die Frontlinse den Träger trägt.

Entsprechend den rotationssymmetrischen Verhältnissen an der Innenwandung einer zu inspizierenden Bohrung ist es vorteilhaft, wenn die Lumineszenzquelle und/oder der Träger zu der optischen Achse der Abbildungsoptik rotationssymmetrisch oder annähernd rotationssymmetrisch ausgebildet ist bzw. sind, wie dies eine andere vorteilhafte Weiterbildung vorsieht.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an dem Träger zum Bilden der Lumineszenzquelle lumineszierendes Material angeordnet ist, insbesondere in Form einer Beschichtung, und dass der Träger Mittel zum Richten des entlang der optischen Achse eingestrahlten Anregungslichts auf das lumineszierende Material aufweist. Das lumineszierende Material kann in einer beliebigen geeigneten Form und Anordnung an dem Träger angeordnet sein, beispielsweise in Form eines porösen, beispielsweise keramikartigen Materials, das aus seinen Innneren strahlt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass das lumineszierende Material an einer zur optischen Achse geneigten, insbesondere konischen und/oder gewölbten Fläche des Trägers angeordnet ist. Auf diese Weise ergeben sich bei der Beleuchtung der Innenfläche der Bohrung besonders günstige Verhältnisse.

Um den Aufbau besonders einfach und kompakt zu gestalten, sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung vor, dass die Mittel zum Richten des entlang der optischen Achse eingestrahlten Anregungslichts auf das lumineszierende Material einen vorzugsweise koaxial zu der optischen Achse ausgebildeten, vorzugsweise konischen oder annähernd konischen Spiegel aufweist, mittels dessen das Anregungslicht in Richtung auf das lumineszierende Material reflektierbar ist oder reflektiert wird.

Um die Abbildungsqualität bei der Abbildung der Innenfläche der Bohrung zu verbessern, sieht eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung Mittel zur Reduzierung von Streulicht vor.

Entsprechend den jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten kann die Abbildungsoptik in vielfältiger Weise ausgebildet sein. Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht insoweit vor, dass die distalseitigen optischen Flächen der Abbildungsoptik mit einer Verspiegelung versehen sind, die im Bereich der optischen Achse unterbrochen oder für das Anregungslicht überwiegend transparent ausgebildet ist. Auf diese Weise ist einerseits ermöglicht, dass das Anregungslicht entlang der optischen Achse auf die an dem Träger angeordnete Lumineszenzquelle einstrahlt, andererseits ist verhindert, dass Streulicht des Abbildungslichts entlang der optischen Achse zurückstrahlt.

Die Abbildungsoptik kann beispielsweise als PAL (Panoramic Annular Lens) ausgebildet sein, wie sie beispielsweise durch den Aufsatz „Characterization of the Panoramic Annular Lens“, David L. Lehner et al., Experimental Mechanics, Dezember 1996, Volume 36, Issue 4, S. 333–338, und US 4 566 763 (Greguss) sowie US 5 473 474 (Powell) bekannt ist. Bei einer derartigen Abbildungsoptik findet die Brechung des Abbildungslichts an entfernt zu der optischen Achse gelegenen optischen Flächen der Frontlinse statt, während im Bereich der optischen Achse gelegene optische Flächen der Frontlinse nicht an der Brechung des Abbildungslichts teilnehmen. Um bei einer entsprechenden Abbildungsoptik eine Rückreflexion des Abbildungslichts entlang der optischen Achse zu vermeiden, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass die Mittel zur Reduzierung von Streulicht ein zwischen der Lumineszenzquelle und der Abbildungsoptik angeordnetes optisch Sperrfilter aufweisen, das für das Anregungslicht überwiegend transparent und für das Abbildungslicht überwiegend sperrend ist. Auf diese Weise ist die Abbildungsqualität durch Verringerung von Streulichteinflüssen des Abbildungslichts verbessert.

Um einen negativen Einfluss von Streulicht des rückreflektierten Anregungslichts auf die Abbildungsqualität zu vermeiden oder zumindest zu verringern, sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung vor, dass die Mittel zur Reduzierung von Streulicht wenigstens ein in Strahlrichtung des Abbildungslichts vor dem Bildsensor angeordnetes, für die Wellenlänge des Anregungslichts überwiegend sperrendes optisches Sperrfilter aufweisen.

Die Anregungslichtquelle kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten in vielfältiger Weise ausgestaltet sein. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass die Anregungslichtquelle wenigstens einen Laser und/oder wenigstens eine Leuchtdiode (LED) und/oder wenigstens eine Superlumineszenzdiode (SLD) aufweist.

Die Mittel zur Einkopplung des Beleuchtungsstrahlenganges in den Abbildungsstrahlengang können entsprechend den jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten in vielfältiger Weise ausgestaltet sein. Im Sinne eines einfachen und kostengünstigen Aufbaus sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor dass die Einkopplungsmittel wenigstens einen Einkopplungsspiegel aufweisen.

Bei der vorgenannten Ausführungsform ist es im Sinne einer Verbesserung der Abbildungsqualität vorteilhaft, wenn der Einkopplungsspiegel ein dichroitischer Spiegel ist, der für das Anregungslicht überwiegend reflektiv und für das Abbildungslicht überwiegend transmissiv ist, wie dies eine andere vorteilhafte Weiterbildung vorsieht.

Im Sinne einer weiteren Steigerung der Abbildungsqualität und einer wirksamen Trennung des Abbildungslichts von dem Anregungslicht sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Anregungslichtquelle für eine Erzeugung von relativ kurzwelligem Anregungslicht und Lumineszenzquelle für eine Erzeugung von relativ langwelligem Abbildungslicht ausgebildet und eingerichtet ist.

Um insbesondere bei Untersuchung einer Sackbohrung eine Beschädigung des Messkopfes durch Kontakt mit dem Grund der Sackbohrung zu vermeiden, sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass dem Messkopf ein in Axialrichtung wirkendes Federmittel zugeordnet ist. Das Federmittel kann beispielsweise durch ein an dem distalen Ende des Messkopfes angeordnetes Bauteil, beispielsweise aus elastomerem Material, gebildet sein, das bei Kontakt mit dem Grund der Bohrung nachgibt. Das Federmittel kann jedoch auch an dem proximalen Ende des Endoskops zwischen demselben und einem feststehenden Bauteil angeordnet sein. Im Falle eines Kontakts des Messkopfes mit dem Grund der Bohrung findet dann entgegen der Federwirkung der Federmittel eine axiale Verschiebung der Bauteile relativ zueinander statt, die mittels eines Sensors abgefühlt werden kann. Das Ausgangssignal des Sensors kann dann verwendet werden, um einen weiteren Vorschub des Messkopfes zu stoppen und dadurch eine Beschädigung desselben zu vermeiden.

Die Abbildungsoptik der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann beispielsweise und insbesondere als PAL ((Panoramic Annular Lens) ausgebildet sein, wie sie beispielsweise durch US 4 566 763 (Greguss) und US 5 473 474 (Powell) bekannt ist. Im Sinne einer entsprechenden Ausgestaltung der Abbildungsoptik sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Abbildungsoptik distalseitig zentrisch eine erste optische Fläche aufweist, die konkav und für das Abbildungslicht reflektierend sowie im Bereich der optischen Achse für das Anregungslicht überwiegend transparent, vorzugsweise hochtransparent, ausgebildet ist, und dass die Abbildungsoptik in Radialrichtung der optischen Achse außen von der ersten optischen Fläche eine zweite optische Fläche aufweist, die konvex und für das Abbildungslicht reflektierend ausgebildet ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass die Abbildungsoptik proximalseitig eine dritte optische Fläche aufweist, die wenigstens abschnittsweise konvex und im Bereich der optischen Achse für das Abbildungslicht transparent und entfernt von der optischen Achse für das Abbildungslicht reflektierend ausgebildet ist.

Bei den vorgenannten Ausführungsformen sind die für das Abbildungslicht reflektierend ausgebildeten optischen Flächen zweckmäßigerweise verspiegelt, wie dies eine vorteilhafte Weiterbildung vorsieht.

Im Kontext der Erfindung wird unter dem distalen Ende des Messkopfes das in Einführrichtung vordere Ende des Messkopfes und dementsprechend unter dem proximalen Ende das in Einführrichtung hintere Ende des Messkopfes verstanden. Entsprechendes gilt für die Begriffe „distalseitig“ bzw. „proximalseitig“.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte stark schematisierte Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei bilden alle in der Beschreibung beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger geeigneter Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung.

Es zeigt:

1 stark schematisiert und blockschaltbildartig ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bohrungsinspektionsvorrichtung und

2 eine vergrößerte Einzelheit aus 1 zur Verdeutlichung des Aufbaus einer bei der Bohrungsinspektionsvorrichtung gemäß 1 verwendeten Abbildungsoptik.

Zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bohrungsinspektionsvorrichtung wird nachfolgend auf die 1 und 2 Bezug genommen.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bohrungsinspektionsvorrichtung 2 zum Inspizieren einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück dargestellt, die nachfolgend auch kurz als Vorrichtung bezeichnet wird. Die Funktionsweise einer solchen Vorrichtung im Allgemeinen ist bekannt, beispielsweise durch DE 10 2008 009975 A1 und DE 10 2011 117618 A1, und wird daher hier nicht näher erläutert. Soweit im folgenden nicht abweichend erläutert, sind der grundsätzliche Aufbau und die grundsätliche Funktionsweise der Vorrichtung 2 einschließlich Auswertungseinrichtung und Vorschubeinrichtung so, wie in den vorgenannten Druckschriften offenbart. Die Auswertung der mittels der Vorrichtung 2 aufgenommenen Bilder erfolgt, soweit im folgenden nicht abweichend erläutert, in der in den Druckschriften offenbarten Weise durch eine Auswertungseinrichtung.

Die Vorrichtung 2 weist einen als in zu inspizierende Bohrung einführbares und mittels einer aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellten Vorschubeinrichtung in unterschiedliche axiale Positionen relativ zu der Bohrung bewegbares Endoskop ausgebildeten Messkopf 4 auf. Der Messkopf 4 weist eine Abbildungsoptik 6 mit Rundumsicht von 360° auf, so dass die Abbildungsoptik 6 zur Abbildung eines in Umfangsrichtung der Bohrung zusammenhängenden, ringförmigen Abbildungsbereiches der Innenfläche der Bohrung auf einem digitalen Bildsensor 8 ausgebildet und eingerichtet ist. Die Abbildungsoptik definiert einen Abbildungsstrahlengang. Während der Inspektion der Bohrung wird der Messkopf 4 mittels der Vorschubeinrichtung schrittweise in unterschiedliche axiale Position relativ zu der Bohrung bewegt, wobei in jeder axialen Position ein Bild der Innenfläche aufgenommen wird. Durch Aneinanderreihung der so aufgenommenen Bilder wird die Innenfläche der Bohrung vollständig erfasst. Die Bilder können mit bekannten Verfahren der Bildverarbeitung und Mustererkennung im Hinblick auf Anomalien, insbesondere Defekte, der Oberfläche der Bohrung untersucht werden.

Die Vorrichtung 2 weist ferner eine Lichtquelle 10 zum Beleuchten des Abbildungsbereiches an der Innenfläche der Bohrung mit Abbildungslicht auf, wobei die Lichtquelle einen Beleuchtungsstrahlengang definiert.

Die Lichtquelle 10 weist einen distal vor der Abbildungsoptik 6, die nachfolgend auch kurz als Optik bezeichnet wird, angeordneten Träger 12 auf, an dem eine Lumineszenzquelle 14 angeordnet ist, die durch Anregungslicht einer Anregungslichtquelle 16 anregbar ist bzw. angeregt wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Träger 12 an der Frontlinse der Optik 6 befestigt, so dass die Frontlinse der Optik 6 in Träger 12 trägt.

Zur Einkopplung des Beleuchtungsstrahlenganges der Anregungslichtquelle 14 in den Abbildungsstrahlengang der Optik 6 sind Mittel vorgesehen,, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Spiegel 18 aufweisen.

Die Anregungslichtquelle 16 ist für eine Erzeugung von relativ kurzwelligem Anregungslicht und die Lumineszenzquelle 14 für eine Erzeugung von relativ langwelligem Abbildungslicht ausgebildet und eingerichtet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erzeugt die Anregungslichtquelle 16 blaues Licht, während die Lumineszenzlichtquelle 14 rotes Licht erzeugt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Träger 12 zu der optischen Achse 20 der Optik 6 rotationssymmetrisch ausgebildet und weist eine zu der optischen Achse 20 geneigte Fläche 22 auf, die zur Bildung der Lumineszenzquelle 14 mit einem lumineszierenden Material beschichtet. Das lumineszierende Material ist entsprechend den jeweiligen Gegebenheiten und der gewünschten Wellenlänge des Abbildungslichts wählbar.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, lenkt der Spiegel das von der Anregungslichtquelle 16 abgestrahlte Anregungslicht um 90° um, so dass das Anregungslicht entlang der optischen Achse 20 einstrahlt und so der Beleuchtungsstrahlengang in den Abbildungsstrahlengang eingekoppelt ist.

Die Optik 6 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als PAL (Panoramic Annular Lens) ausgebildet. Der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise einer entsprechenden Optik sind beispielsweise durch US 4 566 763 (Greguss) und US 5 473 474 (Powell) bekannt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Optik 6 (vgl. 2) distalseitig zentrisch eine konkave erste optische Fläche 24 auf, die für das Abbildungslicht reflektierend sowie im Bereich der optischen Achse 20 für das Anregungslicht hochtransparent ausgebildet ist. In Radialrichtung der optischen Achse 20 außen von der ersten optischen Fläche 24 weist die Optik 6 eine zweite optische Fläche 26 auf, die konvex und für das Abbildungslicht brechend ausgebildet ist. Proximalseitig weist die Optik 6 eine dritte optische Fläche 28 auf, und im Bereich der optischen Achse für das Abbildungslicht transparent und entfernt von der optischen Achse für das Abbildungslicht reflektierend ausgebildet ist. Die reflektierenden optischen Flächen der Optik 6 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel verspiegelt.

Die Erzeugung und der Strahlengang des Abbildungslichts sind wie folgt:
Das entlang der optischen Achse 20 einstrahlende Anregungslicht durchstrahlt die erste optische Fläche 24 entlang der optischen Achse 20 und wird über einen an dem Träger angeordneten konischen Spiegel (Kegelspiegel) 30 um 90° umgelenkt und rotationssymmetrisch auf das an der Fläche 22 des Trägers 12 angeordnete lumineszierende Material gerichtet. Durch Photolumineszenz wird das Abbildungslicht erzeugt, das rotationssymmetrisch ringförmig in Richtung auf die Innenfläche 32 der Bohrung abgestrahlt wird und die Innenfläche 32 in dem Abbildungsbereich gleichmäßig beleuchtet. Das von der Innenfläche 32 reflektierte Abbildungslicht wird von der zweiten optischen Fläche 26 gebrochen, von dem verspiegelten Bereich der dritten optischen Fläche 28 in Richtung auf den verspiegelten Bereich der ersten optischen Fläche 24 reflektiert und von dieser durch den für das Abbildungslicht transparenten Bereich entlang der optischen Achse 20 in Richtung auf den Bildsensor 8 reflektiert.

Das so auf dem digitalen Bildsensor 8 erzeugte Bild eines ringförmigen Abbildungsbereiches an der Innenfläche 32 der Bohrung entsprechend der jeweiligen axialen Position des Messkopfes 4 wird von dem Bildsensor 8 erfasst und zu einer nachgeordneten digitalen Auswertungseinrichtung übertragen, die aus Gründen der Vereinfachung in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Im übrigen ist der Aufbau eines entsprechenden Endoskops, beispielsweise in Hinblick auf dessen zur Bildübertragung verwendete optische Elemente, von denen in 1 lediglich beispielshalber ein Element mit dem Bezugszeichen 34 versehen ist, dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung einer Lumineszenzlichtquelle beansprucht der Messkopf 4 nur einen äußerst geringen radialen Bauraum, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 für eine Inspektion auch von engen Bohrungen mit einem geringen Durchmesser von nur wenigen Millimetern, beispielsweise von bis zu 2 Millimetern, geeignet ist. Die Einkopplung des Beleuchtungsstrahlenganges in den Abbildungsstrahlengang ist im Sinne eines geringen Bauraumes ebenfalls kombinatorisch vorteilhaft, weil auf diese Weise erhebliche räumliche Freiheiten in Hinblick auf die Positionierung der Anregungslichtquelle 16 relativ zu dem Messkopf 4 gegeben sind.

Zur Verbesserung der Abbildungsqualität sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Mittel zur Reduzierung von Streulicht vorgesehen, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dazu dienen, sowohl Streulicht des Abbildungslichts als auch Streulicht des Anregungslichts zu reduzieren.

Um Streulicht des Abbildungslichts zu reduzieren, kann der unverspiegelte Bereich der ersten optischen Fläche 24 nahe der optischen Achse 20 mit einem geringen Durchmesser ausgeführt werden, so dass die Fläche, über die Streulicht des Abbildungslichts einstrahlen kann, entsprechend reduziert ist.

Zur weiteren Reduzierung von Streulicht des Abbildungslichts in diesem Sinne kann eine Lochblende vorgesehen sein, die zwischen der Frontlinse der Optik 6 unter Lumineszenzquelle 14 angeordnet ist. Insbesondere kann die Lochblende als Pinhole ausgebildet sein, so dass entlang der optischen Achse 20 eingestrahltes Anregungslicht hindurchtritt, rückreflektiertes Abbildungslicht jedoch größtenteils gesperrt wird.

Anstelle der Lochblende oder zusätzlich zu dieser kann zur weiteren Reduzierung von Streulicht des Abbildungslichts zwischen der Frontlinse der Optik 6 und der Lumineszenzquelle 14 im Bereich der optischen Achse 20 ein optisches Sperrfilter angeordnet sein, das das Abbildungslicht sperrt, für das Anregungslicht jedoch durchlässig ist.

Zur Reduzierung in den Abbildungsstrahlengang zurückgestreuten Anregungslichts ist der Spiegel 18 als dichroitischer Teilerspiegel ausgebildet, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel das (blaue) Anregungslicht zu 98 % reflektiert, für das (rote) Abbildungslicht jedoch zu 90 % transmissiv ist.

Um eine weitere Reduzierung von Streulicht des Anregungslichts zu bewirken, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar vor dem Bildsensor 8 ein optisches Sperrfilter 36 angeordnet, das das (blaue) Anregungslicht sperrt, für das (rote) Abbildungslicht jedoch hochtransparent ist.

Durch die Reduzierung von Streulichteinflüssen weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 trotz ihrer kompakten Bauform eine ausgezeichnete Abbildungsqualität auf, was sich im Hinblick auf die mit der Inspektion beabsichtigte Detektion von Anomalien an der Innenfläche 32 der Bohrung positiv auswirkt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 19806261 B4 [0002]
  • US 5543972 [0005]
  • US 4899277 [0006]
  • US 2006/0217593 A1 [0007]
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  • DE 102007015492 A1 [0010]
  • DE 102008009975 B4 [0011]
  • EP 2589953 A2 [0012, 0015]
  • DE 102011117618 A1 [0012, 0043]
  • US 4566763 [0027, 0034, 0051]
  • US 5473474 [0027, 0034, 0051]
  • DE 102008009975 A1 [0043]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • "Neue Entwicklungen für die automatische Sichtprüfung von Innenflächen", Klaus Spinnler et al., DGZfP-Jahrestagung 2007 – Vortrag 73, Seite 1–10 [0009]
  • "Handbuch zur industriellen Bildverarbeitung-Qualitätssicherung in der Praxis", Norbert Bauer (Hrsg.), 1. Auflage, Stuttgart, Frauenhofer-IRB-Verlag 2007, Seite 124–131 [0009]
  • Aufsatz „Characterization of the Panoramic Annular Lens“, David L. Lehner et al., Experimental Mechanics, Dezember 1996, Volume 36, Issue 4, S. 333–338 [0027]