CN105717628B - 孔成像系统 - Google Patents

Abstract

一种孔成像系统，包含光检测器配置以及被配置为把源于孔表面上的第一图像区的图像光传输给光检测器的第一孔表面成像装置。光检测器配置包含在朝向与孔的轴向横断的方向的平面中弯曲的第一弯曲光检测器装置。第一弯曲光检测器装置包含沿与孔的轴向横断的方向接收图像光的第一成像阵列。

Description

孔成像系统

技术领域

本申请一般涉及孔检查系统，更具体地，本申请涉及孔成像系统。

背景技术

人们所熟悉的各种孔成像系统使用了用于对孔的内部(例如，对引擎的缸膛)进行成像的孔表面成像装置。专利号为4,849,626(’626专利)、7,636,204(’204专利)、8,334,971(’971专利)、8,570,505(’505专利)的美国专利以及申请号为2013/0112881的美国专利申请中公开了示范性的孔检查系统，特将所有这些专利与专利申请的全部内容并入此处，以作参考。可以把这样的孔成像系统配置为提供孔内部的360度的视图(也将其称为全景视图与/或图像)，以检查形状误差或者表面缺陷。某些这样的系统使用了高分辨率的光学部件。在任何情况下，这样的系统都可以使用把图像像素信号或者检测器元件信号映像于孔内部的坐标的信号处理。在某些这样的系统中，可以把孔的近似环形部分的全景图像按相应于环形部分的形状的圆形图案投射在二维(2-D)矩形成像阵列上。于是，圆形或者环形图像像素可以跨越相当大的像素集合(例如，所述矩形成像阵列的大部分)，而实际上仅成像于所述像素集合的相当小部分(例如，矩形成像阵列中的环形图像图案)。典型的成像阵列必须读出圆形或者环形孔图像所跨越的每个像素，尽管在环形图像图案外部的像素与孔的检查无关。另外，这样的系统可能还必须利用把像素从环形图像图案映像于孔表面的图像映像计算。连续地读出无关的像素以及映像相关的像素耗费时间，这限制了使用这样的孔成像系统检查孔的速度。某些系统(例如，’626专利中所公开的)使用了纤维光成像路径，并且把每条纤维路由至相应的光检测器。然而，这样的系统的配置也对速度以及成像进行了限制，从而，就可以使用某一给定系统进行检查的孔大小而言，限制了分辨率与/或通用性。

希望获得一种能够解决以上概要描述的问题的高速度、高分辨率、度量级别的孔成像系统。

发明内容

公开了一种孔成像系统，所述孔成像系统包含：光检测器配置；和第一孔表面成像装置，其被配置为把源于孔表面上的图像区的图像光传输给光检测器配置，光检测器配置包含在朝向与孔的轴向横断(transverse)的方向的平面中弯曲的第一弯曲光检测器装置。第一弯曲光检测器装置至少包含沿与轴向横断的方向接收图像光的第一成像阵列。在各种实施例中，对于使用高分辨率对孔大小进行测量，这样的系统提供了有意义图像数据的高吞吐率以及通用的度量级别的成像配置。在各种实施例中，相对延长的图像维度可以环360度覆盖所述孔。在各种实施例中，此处所公开的特性允许沿所述孔、以空前的速率轴向扫描图像区，而且不需要复杂的图像处理来映像像素信息。

附图说明

当与附图相结合时，通过参照以下的详细描述，上述各方面以及诸多伴随优点将变得更加易于明白，因为将能够对它们更好地加以理解，其中：

图1为根据此处所公开原理的孔成像系统的第一实施例的示意图；

图2A和图2B为可用于根据此处所公开原理的孔成像系统中的透镜装置的第一实施例的示意图；

图3为根据此处所公开原理的孔成像系统的第二实施例的示意图；

图4为根据此处所公开原理的孔成像系统的第三实施例的示意图；以及

图5为可用于根据此处所公开原理的孔成像系统的各种实施例的光检测器的实施例的示意图，其中，光检测器包含第一和第二弯曲光检测器装置。

具体实施方式

图1为根据此处所公开原理的孔成像系统100的第一实施例的示意图。在这一实例中，孔成像系统100包含光检测器配置110(此处也将其简单地称为光检测器)以及孔表面成像装置120，装载在以稳定形式固定它们的弯曲载体170上。可以把孔成像系统100装载在示意性表示的外壳部件180上，外壳部件180按适当的关系容纳每一样东西，并且可以将其安装于移动控制系统等或者其包括移动控制系统等，以沿轴扫描方向SD扫描孔成像系统100，以对孔表面160的所希望的轴向截面进行成像。在某些实施例中，孔成像系统100还包含照射部分185。根据柱面坐标Z、R以及设置图1，在这一实例中，把柱面坐标Z、R以及与圆柱状孔对准。光检测器110包含在朝向与孔表面160的轴向Z横断的方向的平面中弯曲的弯曲光检测器装置111，如以下更详细地加以描述的。弯曲光检测器装置111包含成像阵列132和阵列基片134。在某些实施例中，可以合并成像阵列132和阵列基片134与/或对它们不加以区别(例如，呈薄半导体基片上的半导体光检测器的形状)。在某些实施例中，它们可以为可区别的元件(例如，呈粘结于也载有互连的柔性材料的切割的半导体光检测器的形状等)。在任何情况下，成像阵列132均包含提供图像数据(例如，强度值)的光检测器元件132a～132n(例如，像素)，可以将它们单独、或者并行、或者多路、或者串行地加以输出，也可以在输出之前，在连接器133上对它们进行处理。即，在某些实施例中，可以把处理电路作为成像阵列132的一部分加以提供，或者将其提供在基片134与/或载体170上。在这一实施例中，孔表面成像装置120包含把孔表面160成像在弯曲光检测器装置111上的透镜装置190。在这一实施例中，透镜装置190呈透镜元件190a～190n的阵列的形式，如以下参照图2更详细地加以描述的。把照射部分185连接于照射能源与控制元件186，在可选的实施例中，可以省略照射部分，或者将照射部分提供在载体170上，或者其呈任何其它方便的形式。

在操作中，把照射部分185设置为向孔表面160上的图像区150提供照射187。把孔表面成像装置120配置为把源于图像区150的图像光140传输给光检测器110，具体地讲，传输给弯曲光检测器装置111。更具体地，在这一具体的实施例中，把透镜装置190的透镜元件190a～190n配置为沿径向R把图像光140传输给成像阵列132的光检测器元件132a～132n。

在图1所示的实施例中，沿扫描方向SD移动孔成像系统100，以沿轴向Z提供覆盖孔表面160的图像。

在图1所示的实施例中，在载体170上按近似圆形形状使弯曲光检测器装置111弯曲。在某些实施例中，载体170可以为外壳部件180的一部分。在各种实施例中，基片134可以为柔韧印刷材料、弹性体或者薄半导体基片、或者另一种提供所要求的用于提供根据此处所公开原理的弯曲成像阵列的特性的可弯曲基片。

在图1所示的实施例中，沿扫描方向SD移动孔成像系统100，以沿轴向Z提供覆盖孔表面160的图像。

在某些实施例中，可以把弯曲光检测器装置111提供在诸如可从爱达荷州博伊西的American Semiconductor公司获得的FleX^TM Silicon-on-Polymer^TM CMOS传感器、或者德国Olching的Andanta公司所提供的弯曲的高分辨率CCD传感器的柔性基片上。专利号为6,791,072、6,849,843、7,786,421、8,372,726、8,742,325的美国专利，以及美国专利公布2010/0264502和2012/0261551中公开了用于制造弯曲光检测器装置的各种其它可用的替代产品，特将所有这些美国专利和美国专利公布的全部内容并入此处，以作参考。

在某些实施例中，光检测器装置111可以包含多个光检测器元件或者阵列，其中，每个光检测器元件或者阵列在有限的跨度上标定平坦，但沿弯曲光检测器装置111的弯曲形状对其进行设置。例如，可以在沿弯曲光检测器装置111的弯曲形状对其进行设置的柔性基片上提供标定平坦的光检测器阵列。在这样一个实施例中，一种设计考虑是，光检测器元件中的每个光检测器元件不应该接收相应于其图像区150的所成像部分的不可接受的模糊图像。于是，应该设计这样的任何透镜装置和协同操作的光检测器装置：具有达到把每个光检测器或者像素维持在所希望的图像聚焦深度或者范围所需程度的互补的曲率。

在某些实施例中，成像阵列132可以沿轴向Z跨越相对窄的维度(例如，窄到只有3个像素，或者不到3个像素)以及沿方向跨越相对延长的维度(例如，长到最多5800个像素)。

图2A和图2B为可用作图1中所示孔成像系统100中的透镜装置190的透镜装置290的第一实施例的示意图。图2A示出了一个典型图像通道IC230a的部件，所述部件包括与成像阵列232的相应部分协同操作的透镜装置290的相应部分。透镜装置290和成像阵列232(例如，包括在弯曲光检测器装置211中的)包含多个类似图像通道。本领域技术人员将会明显意识到，图2中许多用数字2XX标记的元件可以类似于或者等同于图1中用数字1XX标记的元件，而且如果未指出不当时，可以根据先前描述或者类推地加以理解。

图2A示出了沿垂直于图像通道IC230a的R-Z平面的方向的视图，图2B示出了沿平行于轴向Z的方向的两个相邻图像通道IC230a和IC230b的俯视图。把与图像通道IC230a相关联的透镜装置290的部分指定为290a，290a包含位于微透镜293a前方的限制孔径291a以及位于微透镜293a的后焦平面的限制孔径292a。把与图像通道IC230b相关联的透镜装置290的部分指定为290b。图像通道IC230a还包含光检测器元件232a。在某些实施例中，光检测器元件232a可以包含一个像素或者一小组像素。在附接于载体270的基片234上(或者在其一部分上)设置光检测器元件232a。在一个实施例中，把光检测器元件232a耦合于连接器233a，可以认为连接器233a为孔成像系统100的连接器133的单个取例的一个实例。把微透镜293a以及孔径291a和292a配置为把来自孔表面260的成像区250的标定准直光240聚焦于光检测器元件232a。在某些实施例中，微透镜293a可以具有-1的放大倍数。相反，如图2B中所示，把限制孔径291a和292a配置为阻挡非准直光，例如阻挡源于视场251a之外的光线241进入图像通道IC230a。这可防止光检测器元件232a输入来自应该被相邻光检测器元件标定成像的区域(例如，来自图像通道IC230b的视场251b中的区域)的光，因此，抑制了相邻光检测器元件之间的“图像干扰”。可以认为，这提高了系统的横向图像分辨率。按以上所描述的图像通道IC230a类似地配置相邻图像通道IC230b，图像通道IC230b包括耦合于连接器233b的光检测器元件232b。还应该意识到，这样的透镜装置也增强了景深，从而允许多个孔大小的度量级别的成像。

图3为根据此处所公开原理的孔成像系统300的第二实施例的示意图。本领域技术人员将会明显意识到，图3中许多用数字3XX标记的元件可以同功能于或者类似于图1中用数字1XX标记的元件(例如，311与111同功能)，而且，如果未指出不当时，可以根据先前的描述或者类推地加以理解。根据此公开，本领域技术人员将会意识到，在某些情况下，大小或者形状可能不同，但功能、制造或者目的可能类似。

孔成像系统300包含光检测器310和孔表面成像装置320。在某些实施例中，孔成像系统300可以包括未在图中加以显示的照射部分(例如，同功能于图1中所示的照射系统190)。可以把孔成像系统设置在未在图中加以显示的外壳部件或者框架上，所述外壳部件或者框架按适当的关系容纳每一样东西，并且可以将其安装于移动控制系统等或者其包括移动控制系统等，以沿轴扫描方向SD扫描孔成像系统300，与/或调整其成像方向。在这一实例中，根据柱面坐标Z、R以及设置图3，在这一实例中，把柱面坐标Z、R以及与圆柱状孔对准。光检测器310包含在朝向与孔表面360的轴向Z横断的方向的平面中弯曲的弯曲光检测器装置311，如以下更详细地加以描述的。可以理解为弯曲光检测器装置311同功能于弯曲光检测器装置111，并且可以类似地加以制造，即，包含成像阵列和基片，如先前简要描述的。成像阵列通常包含耦合于被配置为在向检测器处理部分395输出图像数据的连接器333的光检测器元件，如先前所描述的。在某些实施例中，图像数据可以是被处理的图像数据。就形状而言，孔表面成像装置320明显不同于图1中所示的孔表面成像装置120。具体地，孔表面成像装置320包括全景成像装置，所述全景成像装置包含环360方位角度反射的第一反射器元件321、透镜装置325、以及环360方位角度反射的第二反射器元件322，它们全部沿图像区350和光检测器310之间的光路径加以定位。

在操作中，把孔表面成像装置320配置为把源于孔表面360上的图像区350的图像光340传输给光检测器310，具体地，传输给其成像阵列的光检测器元件。更具体地，把第一反射器元件321设置为沿与轴向Z横断的方向(例如，近似沿径向R)接收源于图像区350的图像光340，偏转该图像光，并且通常沿孔轴的方向(例如Z方向)将其输出给透镜装置325。通常，沿具有所希望的放大倍数的孔轴的方向(例如，Z方向)把透镜装置325配置为把图像光340传输给第二反射器元件322。透镜装置325，或者更一般地，孔表面成像装置320还可以包括各种限制孔径等，在某些实施例中，所述限制孔径可以包括环形孔径装置，以当对图像区350进行成像时，增强孔成像系统300的视场选择、景深、与/或分辨率。把第二反射器元件322设置为从透镜装置325接收图像光340，偏转该图像光，并且沿与轴向Z横断的方向(例如，近似沿径向R)将图像光340传输给光检测器310的弯曲光检测器装置311。把弯曲光检测器装置311设置为接收图像光340。

在图3所示的具体实施例中，把透镜装置325配置为缩小图像光340，并且将其传输给第二反射器元件322，第二反射器元件322近似沿朝内径方向偏转所述光，以压缩弯曲光检测器装置311，弯曲光检测器装置311具有近似面向沿朝外径方向的检测器元件。在某些实施例中，这样的配置可以允许极紧致的弯曲光检测器装置311，与/或可以具有连贯聚集朝内径方向收敛的图像光340，以在弯曲光检测器装置311的光检测器元件处提供较好的图像强度与/或分辨率的优点。

在图3所示的实施例中，第一反射器元件321和第二反射器元件322看上去似乎具有近似圆锥的形状。然而，应该意识到，也可以使用不同形状的反射器元件，例如，为了改进图像失真或者增强成像分辨率。

在某些实施例中，在操作期间，沿扫描方向SD移动孔成像系统300，以提供沿轴向覆盖孔的图像。在可选的实施例中，孔表面成像装置320可以包含含有可变形的与/或可协调移动的成像元件的图像路径调整元件，所述图像路径调整元件沿孔轴向偏转系统的视场和焦点，而不必为此沿扫描方向SD移动整个孔表面成像装置320。这样的系统可以提供重新定位图像区350的较快的扫描速度或者机械响应时间。使用新式光设计模拟软件与/或光线跟踪程序，光设计领域中的技术人员可以实现针对这样的系统的各种配置。

图4为根据此处所公开原理的孔成像系统400的第三实施例的示意图。本领域技术人员将会明显意识到，图4中诸多用数字4XX标记的元件可以同功能于或者等同于图3中用数字3XX标记的元件(在某些实施例中，421类似于或者等同于321)，而且，如果未指出不当时，可以根据先前的描述或者类推地加以理解。根据此公开，本领域技术人员将会意识到，在某些情况下，大小或者形状可能不同，但功能、制造或者目的可能类似。

孔成像系统400包含光检测器410和孔表面成像装置420，可以根据以上对孔成像系统300的描述(参照图3简要描述的)了解孔成像系统400、光检测器410、以及孔表面成像装置420。孔成像系统400和孔成像系统300之间唯一明显不同之处在于，在孔表面成像装置420中，把第二反射器元件422配置为把图像光440近似地沿朝外径方向偏转至弯曲光检测器装置411，弯曲光检测器装置411具有面向近似沿朝内径方向的检测器元件。在某些实施例中，这样的配置可以允许较小弯曲的光检测器装置411(例如，与弯曲光检测器装置311相比，在其中光检测器元件驻留在不能够以小弯曲半径弯曲的基片上的实施例中使用)，与/或可以具有允许弯曲光检测器装置411的每角度增量使用更多给定大小的光检测器元件，以改进孔成像系统400中的空间图像取样与/或分辨率的优点。

图5是包括可用于根据此处所公开原理的孔成像系统的各种实施例(例如，以上参照图4简要描述的孔成像系统400)的光检测器510的实施例的示意图500。例如，可以取代图4中所示的光检测器410，使用光检测器510。本领域技术人员将会明显意识到，图5中诸多用数字5XX标记的元件可以同功能于或者类似于图4中用数字4XX与/或图2中用数字2XX标记的元件，而且，如果未指出不当时，可以根据先前的描述或者类推地加以理解。

光检测器510与图4中所示的光检测器410的主要不同之处在于，光检测器510包含第一弯曲光检测器装置511和第二弯曲光检测器装置511′，它们在朝向与孔表面的轴向Z横断的方向的平面中弯曲，并且互相轴向位移。第一弯曲光检测器装置511包含基片534上的成像阵列532，第二弯曲光检测器装置511′包含基片534′上的成像阵列532′，它们分别接收已经被第二反射器元件522沿与轴向Z横断的方向(即，沿径向R)偏转的图像光540的相应部分540A和540B。应该意识到，为了便于说明，图5中夸张地描述了针对各种元件所示出的维度与/或它们沿Z方向的间隔。在某些实施例中，为了提供更紧致的成像系统，尽可能地最小化针对各种元件示出的维度与/或它们沿Z方向的间隔。

把基片534和534′安装在圆形载体570上(按剖视图，部分地加以示出)。应该意识到，在某些实施例中，基片534和534′可以包含单个元件的部分。通常，可以根据先前简要描述的与/或此处所引用的任何方法制造第一和第二弯曲光检测器装置511和511′。成像阵列532和532′可以包含示意性表示的、耦合于被配置为在把图像数据输出给检测器处理部分595的相应连接器533和533′的单个光检测器元件。在某些实施例中，可以把检测器处理部分595作为成像阵列532和532′的一部分加以提供，或者将其提供在阵列基片134与/或134′与/或载体170上。

提供第一和第二弯曲光检测器装置511和511′的一个原因是装配考虑、与/或与成像阵列相关联的连接器或者导体可能使其不便宜，或者不便于装配在沿所述阵列某些位置或者位于所述阵列的端点的光检测器元件之间不具有空隙的单弯曲光检测器。具体地，在与Z轴横断的单一平面中提供全密度360度光检测器元件覆盖可能是困难的或者昂贵的。在这样的情况下，在第一弯曲光检测器装置511的光检测器元件覆盖中存在间隙的任何方位角Ф，在第二弯曲光检测器装置511′中，可能存在提供在相同方位角的光检测器元件覆盖，并且具有与弯曲光检测器装置511的轴向位移。在这样的配置中，由第一和第二弯曲光检测器装置511和511′中每个弯曲光检测器装置所成像的图像区(例如，图像区450)的部分是不同的(例如，每个在图像区中的不同轴坐标成像)。然而，当沿轴向扫描孔成像系统时，通过把来自第一和第二弯曲光检测器装置511和511′的图像数据加以组合，可以获得所有方位角处的完整成像。在某些实施例中，在某些方位角处可能存在所获得的冗余数据(例如，使用光检测器510会出现这样的情况)。在这样的情况下，在各种实施例中，可以把额外数据用于各种目的或者简单地加以忽略。

提供第一和第二弯曲光检测器装置的另一个原因是，当在一个或多个成像阵列的制造过程中没有在任何方位角处留有间隙时，可以在单扫描期间简单地提供冗余图像数据。可以利用这一点提供更可靠的成像，或者其允许更快的处理或者扫描，或者将其用于各种实施例中的各种其它原因。提供第一和第二弯曲光检测器装置的另一个原因是，可以在具体孔壁检查应用中仅简单地提供所希望的感兴趣的方位弧段的图像。可以使每个弯曲光检测器的大小和定位与其沿孔壁的各所希望的方位弧段相匹配。在某些具体应用中，这可能限制了数据采集和处理时间，从而允许较高的轴向扫描率。

应该意识到，在其它实施例中，如果能够制造足够长的成像阵列，则能够在载体上将其卷绕(例如，在螺旋管中，或者重叠其自己的一部分)，以按同功能于以上简要描述的方式形成避免或者覆盖360方位角上的潜在光检测器间隙的单弯曲光检测器装置。

应该意识到，根据此处所公开原理的孔成像系统的某些实施例可以包含第二完整的光检测器和孔表面成像装置。在这样的应用中，可以把第二光检测器和孔表面成像装置设置为对沿轴向Z从第一图像区位移的第二图像区进行成像，以缩短扫描孔表面的给定轴段所需的时间。可以把来自第一光检测器和第二光检测器的图像数据加以组合，以形成孔表面的完整图像。在另一个这样的实施例中，可以把第二光检测器和孔表面成像装置设置为对与第一光检测器和孔表面成像装置相同的图像区进行成像，但沿具有相对第一图像区的、不同于第一孔表面成像装置的不同角度的不同的光路径。这样的孔成像系统能够对孔表面进行三维成像。

尽管已经说明和描述了各种实施例，然而基于此公开，本领域技术人员将会明显意识到，可以对所说明和所描述的特征的设置与操作的顺序进行诸多的改变。因此，应该意识到，在不背离本发明的宗旨与范围的情况下，可以对本发明进行多方面的改变。

Claims (14)

1.一种孔成像系统，包含：

光检测器配置；以及

第一孔表面成像装置，被配置为把源于孔表面上的第一图像区的图像光传输给光检测器配置，

其中，光检测器配置包含在朝向与孔的轴向横断的方向的平面中弯曲的第一弯曲光检测器装置；以及

第一弯曲光检测器装置至少包含沿与所述轴向横断的方向接收图像光的第一成像阵列。

2.根据权利要求1所述的孔成像系统，其中，按近似圆形的曲线弯曲第一弯曲光检测器装置。

3.根据权利要求1所述的孔成像系统，其中：

第一孔表面成像装置包含：

第一反射器元件，以及

第二反射器元件，其沿第一反射器元件和光检测器配置之间的光路径定位；以及

第一反射器元件被设置为近似沿径向接收源于孔表面上的第一图像区的图像光，并且近似沿轴向将其输出给第二反射器元件；以及

第二反射器元件被设置为从第一反射器元件接收图像光，并且沿径向将图像光传输给光检测器配置。

4.根据权利要求3所述的孔成像系统，其中，第一反射器元件和第二反射器元件为环360方位角度反射的全景反射器元件。

5.根据权利要求1所述的孔成像系统，其中，光检测器配置被设置为沿与轴向横断的方向检测360方位角度范围的光。

6.根据权利要求1所述的孔成像系统，其中，光检测器配置包含多个弯曲光检测器装置。

7.根据权利要求6所述的孔成像系统，其中：

第一弯曲光检测器装置和第二弯曲光检测器装置沿轴向相互位移；以及

沿孔的轴向对准第一弯曲光检测器装置的第一成像阵列的至少第一部分，以覆盖不由包括在第二弯曲光检测器装置的成像阵列中的光检测器元件所覆盖的方位角成像间隙，或者与不由包括在第二弯曲光检测器装置的成像阵列中的光检测器元件所覆盖的方位角成像间隙对准。

8.根据权利要求1所述的孔成像系统，其中，第一弯曲光检测器装置被定位在形成螺旋管或者沿360度以上的方位角弧度段覆盖其本身一部分的柔性基片上。

9.根据权利要求1所述的孔成像系统，其中，第一弯曲光检测器装置被定位在沿径向面向内的凹表面上。

10.根据权利要求1所述的孔成像系统，其中，第一弯曲光检测器装置被定位在沿径向面向外的凸表面上。

11.根据权利要求1所述的孔成像系统，其中，第一孔表面成像装置还包含透镜装置，其被配置为沿第一孔表面成像装置的光路径聚焦源于孔表面的光。

12.根据权利要求1所述的孔成像系统，还包括第二光检测器配置和第二孔表面成像装置。

13.根据权利要求12所述的孔成像系统，其中，第二孔表面成像装置被配置为把源于孔表面上的第二图像区的图像光传输给第二光检测器配置。

14.根据权利要求12所述的孔成像系统，其中，第二孔表面成像装置被配置为：沿具有相对第一图像区的、不同于第一孔表面成像装置的具有不同角度的光路径，把源于第一图像区的图像光传输给第二光检测器配置。