CH629603A5

CH629603A5 - Bilduebertragungseinrichtung zur untersuchung von unzugaenglichen partien eines objektes.

Info

Publication number: CH629603A5
Application number: CH94678A
Authority: CH
Inventors: Rainer Fritsche; Helmut Ringelhan
Original assignee: Leitz Ernst Gmbh
Priority date: 1977-02-26
Filing date: 1978-01-27
Publication date: 1982-04-30
Also published as: JPS53125053A; DE2708507A1; US4163148A

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildübertragungseinrichtung zur Untersuchung von unzugänglichen Partien eines Objektes, insbesondere Hohlräumen, mit mindestens einer einen kleinen Querschnitt sowie im Verhältnis zu diesem eine grosse Länge aufweisenden, Bildinformationen leitenden Baugruppe mit mindestens einem fokussierbaren Glied sowie einer dieser Baugruppe zugeordneten Fokussiereinrichtung.

Es ist durch die DT-PS1 566 112 bekannt, eine derartige Baugruppe mittels hintereinander angeordneter optischer Linsen zu realisieren.

Auch ist es durch das DT-GM 1 853 607 sowie durch die DT-PS 1 269 287 bekannt, dass eine derartige Baugruppe aus Glasfaser bzw. Fiberbildleitern gebildet wird.

Durch die beiden letztgenannten Druckschriften ist ferner 5 bekannt, zur Scharfeinstellung der zu untersuchenden Objektpartie mindestens ein fokussierbares Glied in der Baugruppe vorzusehen.

Der Nachteil einer solchen mechanischen Scharfeinstelleinrichtung liegt jedoch darin, dass trotz scheinbar scharfen Su-lo cherbilder fotografische Aufnahmen über eine solche Einrichtung unscharfe Bilder ergeben, da bei visueller Beobachtung der Objektpartie dem Beobachter wegen der automatischen Akkomodation seines Auges das Bild der Objektpartie in jedem Abstand scharf erscheint.

15 Ein weiterer Nachteil ist, dass die Entfernung einer beobachteten oder fotografierten Objektpartie mit den bekannten Einrichtungen nicht exakt bestimmbar ist. Dies ist jedoch erforderlich, wenn gleiche Objektpartien zu Vergleichszwecken im gleichen Abbildungsmassstab reproduziert werden sollen.

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Diese Forderung wird durch eine in der DT-AS 1 766 853 beschriebene Vorrichtung erfüllt, welche mittels eines fotoelektrischen Elementes aus der vom Objekt reflektierten Lichtintensität ein von der Entfernung zwischen Objekt und Einrich-25 tung abhängiges elektrisches Signal erzeugt, welches einer geeichten Registrier- oder Anzeigevorrichtung zugeführt wird. Zur Erzeugung des Reflexes ist Licht aus einer Lichtquelle erforderlich, deren spektrale Charakteristik so gewählt ist, dass das von ihr ausgestrahlte und vom Objekt reflektierte Licht den 30 für vorzunehmende fotografische Aufnahmen vorgesehenen Film nicht beeinträchtigt. Eine solche Auflage ist unvorteilhaft für eine Einrichtung dieser Art, weil sie dadurch stets von bestimmten speziellen Bedingungen abhängig ist.

Zur Bestimmung von Entfernungen sind aber auch durch 35 die DT-AS 2 156 617 und die DT-PS 2 330 940 Einrichtungen bekannt, mit denen die Lage mindestens einer Bildebene eines Abbildungssystems nach dem Prinzip der optischen Korrelation ermittelt wird.

4o Wird jedoch die in den zuvor genannten Schriften beschriebene Art der Bildebenenbestimmung in Kombination mit Bildleitern verwendet, deren Querschnitt eine Rasterstruktur besitzt, ergibt sich die Schwierigkeit, dass diese Rasterstruktur die Filterung der im Objekt vorhandenen Ortsfrequenzen behindert 45 bzw. unmöglich macht und dass insbesondere die Phasenlagen der entstehenden Signale bei der Bildübertragung durch einen solchen Bildleiter verlorengehen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bildübertragungseinrichtung zur Untersuchung von unzugänglichen so Objektpartien anzugeben, mit der der Abstand zwischen Objekt und Einrichtung automatisch bestimmt wird, die zu diesem Zweck mit einer nach dem optischen Korrelationsprinzip arbeitenden Einrichtung kombiniert ist und bei welcher Sorge getragen ist, dass der eine Rasterstruktur aufweisende Querschnitt 55 der Bildinformationen leitenden optischen Baugruppe die Ortsfrequenzfilterung nicht stört.

Bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zur Erzeugung von für die Scharfeinstellung des Bildes einer Objektpartie erforderlichen 60 elektrischen Signale diese Fokussiereinrichtung einen ein Abbildungssystem wenigstens eine zumindest in der Nähe der Bildebene dieses Abbildungssystems oder einer dieser konjugierten Ebene angeordnete Rasterstruktur sowie ein letzteres zugeordnetes fotoelektrisches Empfängersystem enthaltenden optischen 65 Korrelator als Sensor umfasst, der aus von den Objektpartien ausgehenden und über deren Lage Informationen tragenden Lichteinflüssen elektrische Ausgangssignale erzeugt, welche nach Auswertung in einer Auswerteelektronik einer Stellvor

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richtung zum Verstellen des fokussierbaren Gliedes zugeführt werden.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die optische Baugruppe ein Bildleiterfaserbündel enthält und dass die Teilung der Rasterstruktur des Sensors sowohl an die Struktur der zu untersuchenden Partie des Objektes als auch an die durch den Querschnitt des Bildleiterfaserbündels gegebene zusätzliche, das Bild des Objektes überlagernde Struktur an-gepasst ist.

Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die Anpassung von Rasterstruktur und zusätzlicher, durch den Querschnitt des Bildleiterfaserbündels gegebener Struktur derart erfolgt, dass die Extremwerte der Fourier-Transformierten der Struktur des Bildfaserbündels mit den Null-Stellen der Fourier-Transfor-mierten der Rasterstruktur zusammenfallen.

Die soweit beschriebene neue Einrichtung wertet zur Bestimmung der Lage eines Objektes die maximalen Amplituden der vom Sensor erzeugten elektrischen Signale aus, da die Phasenbeziehungen der Signale durch die Übertragung mit Faserbildleitern verlorengehen.

Um aber diese Phasenbeziehungen dennoch zu erhalten, wird weiterhin vorgeschlagen, dass der optische Korrelator ausser dem Abbildungssystem zwecks zusätzlicher Abbildung der gleichen Objektpartie ein weiteres optisches System enthält, dem eigene Bildleiterfaserbündel der optischen Baugruppe zugeordnet sind, und dass Mittel vorgesehen sind, welche die aus den Objektpartiebildern beider Abbildungssysteme erzeugten elektrischen Signale bezüglich ihrer Phase auswerten.

Für eine bis hier beschriebene Bildübertragungseinrichtung ist es von Vorteil, wenn die in der Bildebene, bzw. einer dieser konjugierten Ebene, des Abbildungssystems angeordnete Rasterstruktur eine gleichmässige, periodische Teilung aufweist.

In Sonderfällen kann es aber auch erforderlich sein, dass diese Rasterstruktur mit einer ungleichmässigen, aperiodischen Teilung ausgestattet ist.

In der Zeichnung ist die Erfindung in Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt und nachstehend näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemässe Bildübertragungseinrichtung mit Signalamplitudenauswertung,

Fig. 2 eine erfindungsgemässe Bildübertragungseinrichtung mit Signalphasenauswertung,

Fig. 3 und 4 die Teilung eines in der erfindungsgemässen Einrichtung verwendeten Amplitudengitters bzw. die periodische Rasterung im Bildleiterquerschnitt zur Verdeutlichung der aufeinander abzustimmenden Grössen,

Fig. 5 ein Diagramm des Amplitudenverlaufs der Ortsfrequenzen in der Bildleiterebene,

Fig. 6 ein Amplitudenverteilungsdiagramm der Fourier-Transformierten der Bildleiterrasterung,

Fig. 7 ein Amplitudenverteilungsdiagramm der Fourier-Transformierten der Gitterteilung und

Fig. 8 ein resultierendes Amplitudenverteilungsdiagramm nach Korrelation zwischen Objekt und Raster.

In Fig. 1 ist eine Objektpartie 1 angedeutet, welche in einer Filmebene 2 einer nicht weiter dargestellten fotografischen Kamera oder in einer Bildebene 3 zur visuellen Beobachtung scharf abgebildet werden soll. Dazu wird die Objektpartie 1 von einem Objektiv 4 abgebildet und das Bild mittels eines von einer Umhüllung 5 umschlossenen Bildleiterfaserbündels 6 sowie einer Korrektionsoptik 7 einem Strahlenteiler 8 zugeleitet. Der den Strahlenteiler 8 durchdringende Lichtanteil gelangt entweder direkt zur Filmebene 2 oder über einen schwenkbaren Strahlumlenker 9 in die zur visuellen Beobachtung vorgesehene Bildebene 3.

Der vom Strahlenteiler 8 umgelenkte Lichtanteil bildet die Objektpartie 1 in eine der Filmebene 2 konjugierte Ebene 10 ab. In der Nähe dieser Ebene ist ein optisches Filter 11 angeordnet. Dieses Filter besitzt z.B. eine wirksame Rasterstruktur in Form eines Amplitudengitters 11, welche durch einen Antrieb

12 in Richtung des Doppelpfeiles bewegt wird.

Die aus dem Ortsfrequenzspektrum des Objektbildes ausge-5 filterten Lichtflüsse werden nochmals durch eine Sammeloptik

13 auf ein fotoelektrisches Empfängersystem 14 konzentriert, welches aufgrund dieser Beaufschlagung elektrische Signale erzeugt, welche Informationen über die Lage der Objektpartie 1 enthalten.

io Eine Auswerteelektronik 15 untersucht die ihr zugeleiteten Signale des fotoelektrischen Empfängersystems auf die Grösse ihrer Amplituden, welche dann einen maximalen Wert erreichen, wenn die abzubildende Objektpartie 1 scharf in die Ebenen 2 bzw. 3 abgebildet ist. Der Auswerteelektronik 15 ist ein i5 Anzeigeinstrument 16 nachgeschaltet. Ferner folgt der Auswerteelektronik 15 eine Steuereinheit 17, welche einen Stellmotor 18 steuert.

Die Drehung des Stellmotors 18 treibt einen Schneckentrieb 19, welcher drehbar in einer das Objektiv 4 tragenden Schiebe-20 hülse 20 lagert und ein Schneckenrad 21 treibt. Zähne 22 eines fest mit der Umhüllung 5 des Bildleiterfaserbündels 6 verbundenen rohrförmigen Antriebselements 23 kämmen mit dem Schneckenrad 21, so dass das von der Schiebehülse 20 getragene Objektiv 4 zum Fokussieren verschoben werden kann. 25 Die schematische Darstellung der Fig. 2, in der gleiche Bauteile gemäss Fig. 1 mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Einrichtung, mit welcher die Phaseninformationen, d.h. die Informationen der Parallaxe, erhalten bleiben.

30 Dazu ist für die Abbildung der Objektpartie 1 in der Schiebehülse 20 ausser dem Objektiv 4 mindestens ein Zusatzobjektiv 24 angeordnet. Dieses Zusatzobjektiv 24 entwirft von der scharf einzustellenden Objektpartie 1 ein weiteres Bild, das über ein optisches Umlenkelement 25 eigenen Bildleiterfasern 35 6' (Fig. 4) aus dem Bildleiterfaserbündel 6 zugeführt wird. Gemeinsam mit dem Bild des Objektivs 4 gelangt das zusätzlich entworfene Bild über die Korrektionsoptik 7 und den Strahlenteiler 8 in die der Fümebene 2 konjugierte Ebene 10 und wird dort der gleichen optischen Filterung durch die Rasterstruktur 4011 unterworfen wie das Bild des Objektivs 4.

Die gefilterten Lichtflüsse beider Bilder werden von Sammellinsen 26,27 fotoelektrischen Empfängersystemen 28,29 zugeführt, deren Ausgangssignale in einer nachgeschalteten elektronischen Baugruppe 30 bezüglich ihrer Phasenbeziehun-45 gen zueinander ausgewertet werden. Das Ergebnis wird durch eine Anzeigevorrichtung 31 sichtbar gemacht. Die Fokussierung des Objektivs 4 sowie des Zusatzobjektivs 24 erfolgt mittels einer Steuereinheit 37, des Stellmotors 18 sowie des Schnek-kentriebs 19, des Schneckenrads 21 und des rohrförmigen Anso triebselements 23.

Selbstverständlich ist es auch möglich, andere optische Einrichtungen wie z.B. Spiegel- oder Prismensysteme zu verwenden, die auch ohne Zusatzobjektive ein oder mehrere zusätzliche Bilder des zu untersuchenden Objektes entwerfen. Bei-55 spielsweise kann auf das Objektiv 24 verzichtet werden, wenn anstelle des Prismas 25 ein solches verwendet wird, das aus dem das Objektiv 4 verlassenden Lichtfluss einen Teil herausnimmt (der ja der Lage eines bestimmten Teils der Objektpartie 1 entspricht) und den Bildleiterfasern 6' zuführt. Unter Umstän-60 den ist es dann in Abhängigkeit von der Ausführungsform der Bauelemente für die Zusatzabbildungen notwendig, durch mechanische Blenden dafür zu sorgen, dass visuelle Beobachtung, fotografische Aufnahme sowie die Messung sich nicht gegenseitig stören.

65 Der im durch die Koordinatenrichtungen x, y, z definierten Ortsraum bei Relativbewegung zwischen Objektbild und Rasterstruktur als Korrelation zu beschreibende Vorgang lässt sich im Frequenzraum - das ist der Fourier-Raum - als Multiplika

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tion der Fourier-Transformierten der Gittertransparenz und Fourier-Transformierten der Strahldichteverteilung des Objektes schildern.

Zur Optimierung der Auswertung muss die Rasterstruktur so ausgelegt werden, dass die Extremwerte der Fourier-Transformierten der Faserdurchlässigkeit auf Null-Stellen der Fourier-Transformierten der Filterfunktion fallen. Durch entsprechende Wahl der optischen Parameter, z.B. Abbildungsmassstab und Gitterkonstante, kann verhindert werden, dass maximale Objektortsfrequenzen in dem Bereich dieser Null-Stellen liegen. Derartige Massnahmen sind jedoch bei vielen natürlichen Objekten nicht erforderlich, da sie ein breites Ortsfrequenzspektrum besitzen.

In den Fig. 5 bis 8 ist in Diagrammen ein vereinfachtes Berechnungsbeispiel für die Abstimmung der als optisches Filter wirksamen Rasterstruktur 11 auf die zusätzliche Rasterstruktur im Querschnitt des Bildleiterfaserbündels 6 dargestellt. Der Berechnung liegt ein Amplitudengitter gemäss Fig. 3 mit einer Gitterkonstante Filter und Bildleiterfaserquerschnitt gemäss Fig. 4 mit einer periodischen Rasterung gFaser zugrunden, wobei für letztere vereinfacht angenommen die Kernfaser durchlässig und der Kleber sowie die Mantelfaser undurchlässig sind.

Bedingt durch die Modulationsübertragungsfunktion nimmt bei hohen Ortsfrequenzen die Amplitude der Ortsfrequenz der zu beobachtenden Objektpartie 1 in der Ebene des dem Objektiv 4 und dem Zusatzobjektiv 24 zugewandten Endes des Bildleiterfaserbündels 6 ab. Ein solcher Verlauf ist im Diagramm der Fig. 5 dargestellt.

Für eine periodische Rasterstruktur 11 in Form eines Amplitudengitters ergibt sich als Fourier-Transformierte ein Spektrum mit Ortsfrequenzen bei

U = — (2n-l)

g entsprechend der Fourier-Reihe eines Rechteckgitters, dessen Amplituden auch um den Faktor (2n -1) abnehmen. Dabei bedeuten U = Ortsfrequenz, g = die Gitterkonstante und n = eine natürliche Zahl.

s Für die Fourier-Transformierte der zusätzlichen, durch das Bildleiterfaserbündel 6 entstehenden Rasterstruktur mit g = gFaser ergibt sich eine Verteilung der Amplitudenmaxima gemäss dem Diagramm in Fig. 6.

Die Fourier-Transformation der Rasterstruktur in Form ei-io nes Amplitudengitters ergibt ebenfalls, da es sich bei der oben beschriebenen Ausgangsfunktion für gFaser auch um eine Rasterung in der Form eines Amplitudengitters handelt, bei einer der Rasterung des Bildleiterquerschnitts gleichen Gitterkonstanten gopt. Filer= gFaser &ine Amplitudenverteilung, wie sie im Dia-is gramm der Fig. 6 dargestellt ist.

Die Gitterkonstante (gopt. Filter) der als optisches Filter wirkenden Rasterstruktur 11 kann nun so gewählt werden, dass ihre Maxima nicht mit denen der Rasterung des Bildleiterfaserbündels 6 zusammenfallen. In dem im Diagramm der Fig. 7 20 dargestellten Fall ist als Konstante für die als optisches Filter wirkende Rasterstruktur 11 das 2fache gewählt worden. Generell kann das 2n- oder -J— fache von gFaser gewählt werden.

2n

25 Durch die Multiplikation der Spektren gemäss Fig. 5 und 7 ergibt sich eine Ortsfrequenzverteilung, wie sie im Diagramm der Fig. 8 angegeben ist. Die Breite der auftretenden einzelnen Amplitudenmaxima ist dabei u.a. eine Funktion der Anzahl der im Gesichtsfeld vorhandenen Gitterlinien.

3o Die obigen Ausführungen machen deutlich, dass bei Abstimmung der Konstanten der als optisches Filter wirksamen Rasterstruktur die zusätzliche Rasterstruktur des Bildleiterfaserbündels 6 kein Objekt vortäuschen kann, so dass damit eine Störung der automatischen Einstellung der Objektpartie 1 in 35 eine Bildebene des Objektivs 4 und des Zusatzobjektivs 24 vermieden wird.

C

1 Blatt Zeichnungen

Claims

629 603 PATENTANSPRÜCHE

1. Bildübertragungseinrichtung zur Untersuchung von unzugänglichen Partien eines Objektes mit mindestens einer einen kleinen Querschnitt sowie im Verhältnis zu diesem eine grosse Länge aufweisenden, Bildinformationen leitenden optischen Baugruppe mit mindestens einem fokussierbaren Glied sowie mit einer dieser Baugruppe zugeordneten Fokussiereinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von für die Scharfeinstellung des Bildes einer Objektpartie erforderlichen elektrischen Signalen diese Fokussiereinrichtung einen ein Abbildungssystem (4,7), wenigstens eine zumindest in der Nähe der Bildebene (2) dieses Abbildungssystems (4,7) oder einer dieser konjugierten Ebene (10) angeordnete Rasterstruktur (11) sowie ein letzterer zugeordnetes fotoelektrisches Empfängersystem (14;28,29) enthaltenden optischen Korrektor als Sensor umfasst, der aus von den Objektpartien (1) ausgehenden und über deren Lage Informationen tragenden Lichtflüssen elektrische Ausgangssignale erzeugt, welche nach Auswertung in einer Auswerteelektronik (15) einer Stellvorrichtung (18) zum Verstellen des fokussierbaren Gliedes (20) zugeführt werden.

2. Bildübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Baugruppe (4,6,7,8) ein Bildleiterfaserbündel (6) enthält und dass die Teilung der Rasterstruktur (11) des Sensors sowohl an die Struktur der zu untersuchenden Partien des Objektes (1) als auch an die durch den Querschnitt des Bildleiterfaserbündels (6) gegebene zusätzliche, das Bild einer Objektpartie überlagernden Struktur angepasst ist.

3. Bildübertragungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung von Rasterstruktur (11) und zusätzlicher, durch den Querschnitt des Bildleiterfaserbündels (6) gegebener Struktur derart erfolgt, dass die Extremwerte der Fourier-Transformierten der Struktur des Bildleiterfaserbündels (6) mit den Null-Stellen der Fourier-Transf ormierten der Rasterstruktur (11) zusammenfallen.

4. Bildübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Korrelator (11,14,28,29) ausser dem Abbildungssystem (4) zwecks zusätzlicher Abbildung der gleichen Objektpartie (1) ein weiteres System (24) enthält, dem eigene Bildleiterfaserbündel der optischen Baugruppe (4,6,7,8) zugeordnet sind, und dass Mittel (30) vorgesehen sind, welche die aus den Lageinformationen beinhaltenden Objektpartiebildern beider Abbildungssysteme (4;24) erzeugten elektrischen Signale bezüglich ihrer Phase auswerten.

5. Bildübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Bildebene (2) beziehungsweise einer dieser konjugierten Ebene (10) des Abbildungssystems (4,7) angeordnete Rasterstruktur (11) eine gleichmässige, periodische Teilung aufweist.

6. Bildübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Bildebene (2) beziehungsweise einer dieser konjugierten Ebene (10) des Abbildungssystems (4,7) angeordnete Rasterstruktur (11) mit einer ungleichmässi-gen, aperiodischen Teilung ausgestattet ist.