CN101881738A - 用于对工件中的空腔内表面进行成像的设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于对工件(6)中的空腔内表面(4)进行成像的设备(2)，具有带有全景视角的光学元件(8)，该光学元件与图像摄取装置(10)和设置在其后的分析装置形成图像传输连接。该设备(2)还具有带有光源(18)的照明装置(16)，用于对由所述光学元件(8)所检测的内表面(4)的成像区域进行照明。根据本发明，照明装置(16)以下述方式相对于所述光学元件(8)设置并如此选择它的光路，使得成像区域的第一个轴向部分能够以亮区照明被照明，同时与第一个轴向部分间隔一段距离的第二个轴向部分能够以暗区照明被照明。

Description

用于对工件中的空腔内表面进行成像的设备
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述类型的用于对工件空腔中的内表面进行成像的设备。
背景技术
由WO2009/003692公开了一种上述类型的用于对工件中的空腔内表面进行成像的设备，其具有带有全景视角的光学元件，该光学元件与图像摄取装置和设置在其后的分析装置形成图像传输连接。这种已知的设备还具有用于对由所述光学元件所检测的内表面成像区域进行照明的照明装置。
这类设备例如在对曲柄箱中的气缸内径进行检查时被应用，用于对气缸内径的径向内表面进行成像，并检验其在表面结构方面是否满足预定要求。
发明内容
本发明的任务在于，给出一种如权利要求1的前序部分所述类型的用于对工件中的空腔内表面进行成像的设备，其扩展了对内表面成像方面的可能性。
该任务通过在权利要求1中所给出的发明来解决。
本发明的基本思想在于，所述照明装置被设计为使得由所述光学元件所检测的内表面成像区域部分以亮区照明、部分以暗区照明被照明。在其中利用被所要成像的内表面反射的光进行成像的亮区照明的情况下，得到对比度特别高的成像，由此例如特别是能够确定所要成像的内表面中的划痕和孔洞。与之相对地，在其中引导光线的光路从而主要对在要成像的内表面上散射的光线进行成像的暗区照明的情况下，确定其它结构缺陷，例如在铸造件的情况下确定铸造缺陷。
本发明所述的设备使得所要成像的内表面既能够以亮区照明、也能够以暗区照明而被成像。因而本发明所述设备结合了这两种照明方法在检测缺陷时所具有的优点。根据本发明，其中可以在亮区照明的情况下对成像区域的第一个轴向部分进行成像，同时在暗区照明的情况下对成像区域的与所述第一个轴向部分间隔一段距离的第二个轴向部分进行成像，从而同时执行亮区和暗区测量。但根据本发明也可以在时间上先后地以暗区照明和亮区照明对所要成像的内表面的同一个轴向部分进行成像。例如，为此可以为所述设备配置一推进装置，借助所述推进装置使所述设备能够相对于所要成像的内表面轴向移动。如果例如使以暗区照明所检查的内表面部分在推进方向上倾斜地位于所述光学元件前面，而以亮区照明所检查的内表面部分在空腔的轴向方向上大致位于与所述光学元件相同的高度或者位于所述光学元件后面一点，则在推进期间首先能够以暗区照明对内表面的预定轴向区域进行成像，接着在所述设备继续推进时以亮区照明对其进行成像。
通过这种方式，扩展了本发明所述设备在对空腔内表面进行成像方面的可能性。
通过根据本发明既能以亮区照明也能以暗区照明进行成像的技术方案，借助本发明所述设备能够实现特别大范围以及在检测表面缺陷方面具有说服力的检验过程。
本发明所述设备的构造相当简单，因而能够以成本非常低廉的方式制造。
根据本发明，原则上照明装置可设置有两个或更多个光源，这些光源中的一个光源用于在成像区域的第一个轴向部分中实现亮区照明，而另一个光源用于实现在第二个轴向部分中的暗区照明。为了实现本发明所述设备的特别简单的构造，在本发明的一种具有优点的改进方案中设置了镜面装置，该镜面装置的反射面部分地设置在所述光源的光路中，使得在所述设备的成像位置处，从光源发出的光的一部分光线入射到成像区域的第二个轴向部分，而反射面将另一部分光线反射到第一个轴向部分。在这个实施方式中，根据本发明所述的在空腔内表面的不同轴向部分同时进行亮区照明和暗区照明可以借助一个单个的光源来实现。所发出的光的被反射面反射到第一个轴向部分的部分光线例如可用于实现亮区照明，而在所述镜面装置的反射面旁边经过入射到第二个轴向部分的部分光线可用于实现暗区照明。
在上述实施方式的一种优选的改进方案中，所述镜面装置具有环形的反射面。通过这种方式实现了工件内表面的环形照明。根据相应的要求，所述镜面装置的反射面的截面被设计成平的，使得所述镜面被构造成锥台形。但反射面的截面也可以设计成圆形、非球面形、抛物线或其它形式。
本发明的另一改进方案建议：反射面与所述光学元件的光轴同轴。通过这种方式得到了在内表面周边方向上均匀的照明。
尤其当照明装置在所述光学元件的光轴方向上照射时，符合目的的是，反射面与光轴至少在一段上成一定角度设置，就像在本发明的另一具有优点的改进方案中对于镜面装置所述的那样。
在本发明的一个尤其有利的改进方案中，所述光学装置的像角＞180°，最好是约为185°。在这个实施方式中，例如尤其是可以同时对内表面的在光轴方向上倾斜设置在光学元件前面的、以暗区照明被照明的部分以及在光轴方向上大致处于所述光学元件的高度或略微在光轴后面一点设置的、以亮区照明被照明的部分进行成像。
为了均匀地照亮内表面的所要成像的一个或多个部分，照明装置具有环形的光源。例如尤其是该环形的光源可由位于一个漫射器后面的多个发光二极管的排列来实现。
为了实现所述设备的特别紧凑和节省空间的构造，符合目的的是，所述光源在光轴取向上紧邻所述光学元件设置。
根据本发明的另一具有优点的改进方案，所述光源与所述光学元件的光轴同轴设置。
另一具有优点的改进方案建议：所述光源基本上与所述光学元件的光轴同轴地照射。
本发明所述设备的图像摄取装置可以以任何适当的方式实现。例如可以用环形传感器作为图像摄取装置，其包括位于所述光学元件的像圈外面的环形区域。然而本发明的一种具有优点的改进方案还建议：所述图像摄取装置被构造为用于采集所述光学元件的整个像圈。在这种实施方式中，由于采集所述光学元件的整个像圈，尤其是可以在工件内表面处同时对多个环形区域进行成像，可以对其中的至少一个区域以亮区照明来照明，而对至少一个其它区域以暗区照明来照明。
为了能够在空腔的轴向方向上完整地对内表面成像，符合目的的是，设置了一个用于使所述设备相对于工件轴向推进的推进装置。
由最好是具有数字图像传感器的图像摄取装置所摄取的图像数据的存储可以任何适当的方式实现。在一个具有优点的改进方案中提供了存储装置，用于存储对应于所述设备相对于工件的相应轴向位置的成像数据。在这个实施方式中，当所述设备轴向推进时，在时间上先后对空腔内表面上的不同环形区域进行成像，并存储所获得的图像数据，其中在所述设备的各个轴向位置与分别存储的图像数据之间形成对应关系。
为了能够在内表面的周边方向上完整地成像，符合目的的是，所述光学元件具有360°的全景视角。相应的光学元件例如由US3552820、US5473474、US4565763和EP1321793B1所公开。
本发明所述设备适用于检查空腔、尤其是旋转对称的、例如圆柱形或基本上为圆柱形的空腔的任意内表面。在本发明的一个具有优点的改进方案中，所要成像的内表面基本上为旋转对称的，尤其是由曲轴箱的气缸内径形成。
附图说明
下面借助附图详细描述本发明，其中极其简化地示出了本发明所述设备的实施例。其中，在说明书中描述的、在图中示出的以及在权利要求书中要求保护的所有特征单独地或者以相互结合的方式构成了本发明的主题，与其在权利要求书中的概括、回引及其说明和在附图中的图示无关。
如图所示：
图1：本发明所述设备在成像位置的第一个实施例的示意性侧视图，
图2：在图1所示设备的图像摄取装置上的成像，
图3：借助图1所示设备以亮区照明和暗区照明生成的要成像的展开内表面的数字成像，
图4：在与图1相同的图示中的本发明所述设备的第二个实施例，
图5：在与图1相同的图示中的本发明所述设备的第三个实施例，
图6：在与图1相同的图示中的本发明所述设备的第四个实施例，
图7：在与图1相同的图示中的本发明所述设备的第五个实施例，
图8：在与图1相同的图示中的本发明所述设备的第六个实施例，
图9：在与图1相同的图示中的本发明所述设备的第七个实施例，
图10：在与图1相同的图示中的本发明所述设备的第八个实施例，以及
图11：在与图1相同的图示中的本发明所述设备的第九个实施例。
在附图中相同或相应的部件用相同的附图标记来表示。
具体实施方式
在图1中示出了本发明所述的用于对工件6的空腔内表面4进行成像的设备2的第一个实施例。在所示的实施例中，内表面4是曲轴箱的气缸内径的内表面。设备2具有光学元件8，在该实施例中光学元件8带有360°的全景视角，该光学元件8与图像摄取装置10和设置在其后的未示出的分析装置形成图像传输连接。在这个实施例中，图像摄取装置10由带有图像传感器12的数码相机构成。在图1所示的实施例中，光学元件8是一个纯折射光学成像的鱼眼物镜，其光轴在图1中通过点划线14来表示。
在这个所示的实施例中，光学元件8具有＞180°的像角，即约为185°，使得光学元件8不仅检测内表面4的一个倾斜地位于光学元件8的前透镜前面的区域，而且还检测内表面4的一个沿着光轴相对于光学元件8的前透镜位于后面的区域。
在这个所示的实施例中，图像传感器12被构造为用于检测光学元件8的整个像圈。由光学元件8所摄取的内表面4的图像由图像摄取装置10的图像传感器12所记录，并被存储在一个未示出的存储装置中。
设备2具有一个照明装置16，根据本发明，该照明装置16以下述方式相对于光学元件8设置并如此选择它的光路：使得成像区域的第一个轴向部分能够以亮区照明被照明，同时与第一个轴向部分间隔一段距离的第二个轴向部分能够以暗区照明被照明。在所示的实施例中，照明装置16具有一个环形的光源18，该光源在这个实施例中由多个沿圆环排列的发光二极管构成，这些发光二极管向一个圆环形的漫射器射入光线。如图1所示，光源18在光轴的轴向方向上紧靠光学元件8设置。从图1还可以看到，光源18与光轴14同轴设置，并基本上与光学元件8的光轴14同轴地照射。
在这个所示的实施例中，照明装置16具有一个镜面装置20，该镜面装置在这个实施例中由一个环面形状的镜面构成，其反射面20向着光学元件8的光轴14倾斜。在所示的实施例中，反射面20的截面构造为非球面形。如图1所示，反射面20部分地设置在光源18的光路内，使得在图1所示的设备2的成像位置，反射面20将光源18所发出的光的一部分光线反射到内表面4的第一个轴向部分上。相应的部分光线在图1中用附图标记21来表示。另一部分光线从反射面20旁边经过，直接入射到内表面4上。在图1中，相应的部分光线例如用附图标记22、24、26来表示。如由图1所示，部分光线21入射到内表面4上的成像区域的第一个轴向部分在光轴14的轴向方向上与部分光线22、24、26入射到内表面4上的第二个轴向部分间隔一段距离。第一个轴向部分和第二个轴向部分均位于光学元件8的成像区域内。
如图1所示，第一个轴向部分在光轴方向上位于光学元件8后面一点，但由于光学元件8的像角为185°，其仍被成像区域所包括。
在这个所示的实施例中，通过由光源18发出的光被反射面20反射到内表面4上的部分光线实现了亮区照明，而通过部分光线22、24、26实现了暗区照明。从而，根据本发明，成像区域的第一个轴向部分(其在所示实施例中为对应于部分光线21的轴向部分)以亮区照明被照明，同时，与第一个轴向部分间隔一定距离的第二轴向部分(其在所示实施例中为对应于部分光线22、24、26的部分)以暗区照明被照明。这样，借助本发明所述设备2可以同时地或者在时间上先后地对第一个轴向部分(以亮区照明)和第二个轴向部分(以暗区照明)进行成像。
本发明所述设备2的工作方式如下：
为了对工件6中的空腔内表面4进行成像，设备2借助一个(未示出的)推进装置在双箭头28的方向上相对于工件6移动。
借助于照明装置16，内表面4的第一个轴向部分以亮区照明(部分光线21)被照明，第二个轴向部分以暗区照明(部分光线22、24、26)被照明，并借助于光学元件8在图像传感器12上成像。
由于图像传感器12被构造为用于检测光学元件8的整个像圈，可以同时对内表面4上的多个环形区域进行成像，如图2所示。通过附图标记21’、22’、24’和26’在图2中示出了在图像传感器12上成像的环形区域中的哪些区域分别对应于部分光线21、22、24和26。
在设备2相对于工件6推进时，先后对内表面4的不同轴向区域进行成像，并在分析装置中转换成分别对应于内表面4的一个展开部分的图像。
图3示出了分析装置的图像存储器中的相应图像30、32、34、36，其中图像30对应于亮区设置中的一个成像，而图像32、34、36对应于暗区设置中的成像。分析装置如何将在图像传感器上成像的圆形区域(参见图2)转换成绘制图像的方式和方法例如在DE102007031358中公开，其公开内容在本申请中引用作为参考。
借助于在亮区设置和暗区设置之中所摄取的图像，可以确定要检查的内表面4在表面结构方面是否满足预定的要求。
通过可以在亮区设置以及在暗区设置下对内表面进行成像，能够特别可靠地确定表面缺陷。
在图4中示出了本发明所述设备2的第二个实施例，其与图1所示实施例的不同之处在于，代替纯折射成像的光学元件，采用了反折射(catadioptric)光学元件，其在这个实施例中由成像镜面38和成像物镜40构成。成像镜面38在图4中仅示例性地表示为球面段。但根据相应的要求，它也可以是锥形或具有任意的其它适当的横截面，例如具有非球面的或凸起的横截面。
在图5中示出了本发明所述设备2的第三个实施例，其和图4所示实施例一样采用了反折射光学元件42。为了改进成像质量，光学上为反折射的光学元件42按照US4566763所公开的方式设计。
在图6中示出了本发明所述设备2的第四个实施例，其中反折射光学元件42按照US5473474所公开的方式设计。
在图7中示出了本发明所述设备2的第五个实施例，其中反折射光学元件42按照US3552820所公开的方式设计。
在图8中示出了本发明所述设备2的第六个实施例，它的照明装置16与图4所示实施例不同。在这个实施例中，照明装置16具有一个光源44，该光源44例如可作为LED白炽灯、短弧灯或类似的灯来实现。在光源44的照射方向上设置了一个用于对光源44进行投影的照明聚光器，其中由光源44产生的光的光引导方向与成像光路相吻合。由光源44发出的光通过一个部分透射的偏转镜48偏转到成像镜面38上。
在图9中示出了本发明所述设备2的第七个实施例，其与图8所示实施例的不同之处在于，采用了对应于图5所示的反折射光学元件42。
在图10中示出了本发明所述设备2的第八个实施例，其与图8所示实施例的不同之处在于，采用了对应于图6所示的反折射光学元件42。
在图11中示出了本发明所述设备2的第九个实施例，其与图8所示实施例的不同之处在于，采用了对应于图7所示的反折射光学元件42。

Claims (15)

1.一种用于对工件中的空腔内表面进行成像的设备，具有：
带有全景视角的光学元件，该光学元件与图像摄取装置和设置在其后的分析装置形成图像传输连接，以及
带有光源的照明装置，用于对由所述光学元件所检测的内表面的成像区域进行照明，
其特征在于，
所述照明装置(16)以下述方式相对于所述光学元件(8)设置并如此选择它的光路：
使得成像区域的第一个轴向部分能够以亮区照明被照明，同时与第一个轴向部分间隔一段距离的第二个轴向部分能够以暗区照明被照明。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，具有镜面装置，该镜面装置的反射面(20)部分地设置在光源(18)的光路内，使得在所述设备(2)的成像位置处，由光源(18)发出的光的一部分光线(22，24，26)入射到成像区域的所述第二个轴向部分，而反射面(20)将另一部分光线(21)反射到所述第一个轴向部分。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述镜面装置具有环形的反射面(20)。
4.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于，反射面(20)与所述光学元件(8)的光轴(14)同轴。
5.如权利要求2至4中任一项所述的设备，其特征在于，反射面(20)与所述光学元件(8)的光轴(14)至少在一段上成一定角度设置。
6.如以上权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述光学元件(8)具有大约180°、最好是＞185°的像角。
7.如以上权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述照明装置(16)具有环形的光源。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述光源(18)在光轴(14)的轴向方向上紧邻所述光学元件(8)设置。
9.如权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述光源(18)与所述光学元件(8)的光轴(14)同轴设置。
10.如权利要求7至9中任一项所述的设备，其特征在于，所述光源(18)基本上与所述光学元件(8)的光轴(14)同轴地照射。
11.如以上权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述图像摄取装置(10)被设计为用于检测所述光学元件(8)的整个像圈。
12.如以上权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，具有用于使所述设备(2)相对于工件(6)轴向推进的推进装置。
13.如以上权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，具有用于存储对应于所述设备(2)相对于工件(6)的相应轴向位置的成像数据的存储装置。
14.如以上权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述光学元件(8)具有360°的全景视角。
15.如以上权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所要成像的内表面(4)被构造为基本上旋转对称的，尤其是由曲轴箱的气缸内径构成。
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