CN107660266B - 用于内壁光学探测的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于内壁光学探测的装置(1)，包括：‑至少一个摄像机(K)，‑光学成像布置(3)，以及‑照明布置(5)，其中‑所述装置适用于利用摄像机(K)环视地拍摄内壁(7)的多个轴向互相错开的区域。所述装置(1)的特点是，所述照明布置(5)具有至少两个不同的功能状态，其中由照明布置(5)发出的第一亮度分布对应于第一功能状态，所述亮度分布区别与至少一个第二功能状态的第二亮度分布。

Description

用于内壁光学探测的装置和方法
技术领域
本发明涉及内壁的光学探测的装置和方法，特别涉及空腔，尤其是钻孔的光学内部测量和/或形状测量。圆柱形钻孔的壁以及特别是燃烧发动机的圆柱形钻孔的壁借此检测和/或测量形状。特别是借此达到钻孔的100％的生产过程中实时控制。
背景技术
现有的方法是探测钻孔壁的整个表面。但是这种方法基于摄像机成像，它不能将相对于应有几何形状的凸起和凹陷与材料的可能的着色和亮度区别清楚地区分。其他现有的方法，尽管能够实现圆柱几何结构的较小的截面的精确的几何结构测量，但是不适合在生产过程中全平面100％的检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种装置和方法，克服了上述的缺陷，并且尤其要实现，测量钻孔壁的凸起和凹陷。
技术问题尤其通过提供用于光学测量内壁的装置来解决，该装置至少包括一个摄像机、一个光学成像布置以及一个照明布置，其中该装置用于将多个在轴向先后错开的内壁的区域全部用摄像机拍摄。该装置的特点在于，照明布置具有至少两个不同的功能状态，其中将照明器布置发射的第一个亮度分布归类给第一功能状态，另一个不同的第二个亮度分布归类给照明布置的第二功能状态。照明布置尤其适用于在第一功能状态中产生第一亮度分布，并且适用于在第二功能状态中产生与第一亮度分布不同的第二亮度分布。借助在不同的亮度分布下拍摄的图片，能够获取经过检测的内壁的凸起或凹陷并且尤其清楚地区分内壁的材料的着色和亮度差别。全平面100％检测，尤其是在生产过程中，是可能的，尤其是因为内壁可以通过来自不同空间方向的照明布置来照明，并且另一方面因为能够完全以及优选地在它们的总的深度上被观察到。
该装置用于将多个在轴向先后错开的内壁的区域全部用摄像机拍摄，这尤其意味着，它适用于沿着装置，尤其是摄像机和/或成像布置的光学轴线拍摄多个互相错开的区域。轴线方向尤其通过装置的光学轴线来定义。可替代地或附加地，轴线方向优选地通过待检测的钻孔的长轴来定义，钻孔的内壁用摄像机摄像。尤其优选的是，装置的光学轴线和钻孔的长轴重合。
该装置适用于将内壁的区域全部拍摄，尤其意味着，该装置适用于在每个拍摄的单个图像中---在周向方向上---拍摄内壁360°的视野。尤其是沿着封闭的周长线拍摄轴向的一段。其中周向方向同心地围绕着轴向方向。另外下文中径向方向应当理解为垂直于轴向方向的方向。
优选地，该装置至少部分地---优选完全地---相对于内壁可移动。其中可能的是，该装置的至少部分相对于在空间上静止的内壁可移动。还可能的是，内壁相对于空间静止的装置或者至少相对于空间静止的装置的部分可移动。还可能的是，不仅装置的至少部分，必要的话还有整个装置，而且还有内壁也是可移动的。尤其是该装置优选地适用于至少部分地---优选地完全地---在钻孔内可移动。这样钻孔的内壁能够借助该装置测量。
特别优选的是，该装置适用于沿着轴向方向可移动。其中该装置能够步进地或连续地沿着轴向方向可移动。可能的是，仅仅装置的单个的部件在轴向方向上可移动，尤其是光学成像布置和/或照明布置，其中该装置的其他部分能够静止，例如至少一个摄像机、照明布置和/或光学成像布置。
术语“亮度分布”应当理解为一个照明强度，优选对于可见光，或者辐射亮度，优选对于不可见光，尤其是红外或紫外线。
优选地，照明器布置具有多个功能状态，尤其是多于两个功能状态，其中每个功能状态都对应一个亮度分布，其与其他的功能状态的亮度分布都不同。尤其优选的是，照明布置具有四个功能状态，并分别带有四个亮度分布。
尤其，该装置的一个实施例的特点在于，优选照明布置具有三个，优选至少四个不同的功能状态，其中每个功能状态都对应一个亮度分布，其与其他的功能状态的亮度分布都不同。
在优选的实施例中，该装置具有控制装置，其适用于照明器布置的控制，尤其是照明器布置的功能状态的选择和激活。优选地，控制装置还适用于控制至少一个摄像机和/或控制该装置相对于待检测的内壁的相对移动。其中不同功能状态的激活、通过摄像机摄像的启动，和/或装置相对于内壁的移动优选地在时间上互相确定，尤其是同步地。还可能的是，控制装置适用于该装置相对于内壁的移动的控制和调整，其中设置行程传感器，其监测该移动并且在设定的行程段或位移的行程的暂时位置处发出脉冲，其中摄像机和照明器布置通过行程传感器的脉冲—尤其是取决于该装置的移动长度或暂时位置—来控制。
该装置的一个优选的实施例的特点在于，摄像机、光学成像布置和照明布置整体互相移动。上述元件优选地组成一个构建组，并且能够共同相对于内壁，尤其是在钻孔内，移动。以这种方式得到的装置尤其容易操作，其中由该装置拍摄的图像尤其容易分析。同时可能的是，借助该装置实施内壁的快速检测，这样可以在生产过程内实施。优选地，该装置具有圆柱形的管，上面固定有摄像机、光学成像布置和照明布置。尤其可能的是，摄像机、光学成像布置和照明器布置在圆柱形的管内部。圆柱形的管优选至少是透光的，尤其是透明的，优选在照明布置和/或成像布置经过的区域中。
该装置的一个优选的实施例的特点在于，至少一个摄像机、光学成像布置和照明器布置整体互相，尤其是互相关联地构成。这样上述的元件一起互相可移动，并且该装置总体紧凑地构成。
该装置的一个优选的实施例的特点在于，光学成像布置具有摄像机镜头。附加地或可替代地，光学成像布置具有镜面布置。光学成像布置优选地适用于将内壁的检测区域在摄像机的成像平面上成像。光学成像布置优选地适用于将照明器布置的光偏转到内壁的检测区域。
该装置的一个优选的实施例的特点在于，照明布置适用于和/或应用于直接照明内壁。在这种情况下，照明布置发射出的射线直接照射到---尤其是不经过成像布置---内壁上。
可替代地或附加地，照明布置优选地适用于和/或应用于间接照射内壁，尤其是通过成像布置。其中成像布置的作用是从照明器布置到内壁的光传导。
该装置的一个优选的实施例的特点在于，照明器布置适用于在轴向方向上、在径向方向上和/或周向方向上发射变化的亮度分布。这里尤其指的是在产生亮度分布的地方，尤其是照明器布置的地方，尤其是产生射线的地方。优选地，功能状态的每个亮度分布均与至少一个坐标轴具有相关性，尤其是沿着轴向和/或沿着周向，其中亮度分布沿着至少一个坐标轴不恒定。可替代地或附加地，对应于不同功能状态的亮度分布根据与至少一个坐标轴的相关性的不同而不同。这样就可以实现，借助来自多个空间方向的照明布置来照明内壁，并且得到亮度阴影，其包含了关于内壁形貌的信息。
该装置的一个优选的实施例的特点在于，照明布置具有至少两个优选地彼此独立的可控制的光源。通过控制光源可以实现不同的亮度分布。每个光源包括优选的至少一个照明器元件，更优选地包括多个照明器元件。尤其优选的是，光源包括一组能够共同控制的照明器元件，其中不同照明器元件的组对应的光源互相独立控制。作为照明器元件可以应用例如LED。
可替代地或附加地，照明器布置优选地具有平面的照明装置，其适用于在一个第一功能状态中产生第一结构性照明图样，其中平面的照明装置还适用于在一个第二功能状态中产生第二结构性照明图样，其与第一结构性照明图样不同。这样的平面的照明装置可以例如构造为多个单个光点按照阵列的方式，尤其是按照显示的方式。借助不同的，结构性的照明图样可以实现从多个空间方向来照明内壁。一个平面的照明装置可以构造成至少一个有机发光二极管(OLED)或构造为OLED。借助平面的照明装置优选地实现了尤其是明场照明中的镜面的内壁的摄像。
该装置的一个优选的实施例的特点在于，照明器布置具有至少两个平面的照明装置，其在轴向上隔开布置，其中成像布置如此设置并且相对于照明装置如此定位，实现了在轴向上位于平面的照明装置之间的内壁区域在摄像机中可成像。尤其优选的是，轴向地位于两个平面的照明装置之间安装轴成像布置的镜面布置。这样尤其能够实现复杂和大面积的结构性的内壁的照明和优选的在明场照明中镜面内壁的摄像。
该装置的一个优选的实施例的特点在于，照明器布置具有至少两个轴向互相间隔、环形的光源，其分别独立控制。尤其是，环形光源能够交替地激活和抑制，交替控制，这样实现在内壁上不同的照明分布。优选地，环形光源构造为二极管环，称为LED环，它在周向方向上具有互相临近的LED。环形光源的照明方向优选地基本上在径向方向上延伸。环形光源在优选的实施例中围绕轴向方向延伸为圆柱侧面形状。还可能的是，至少一个环形光源具有相对于轴向方向的夹角，其中环形光源尤其布置成相对于轴向方向的锥台侧面形状。主照明方向相对于轴向方向倾斜延伸。
可能的是，该装置具有至少一个散射元件，优选为散射体或散射板，其优选地以合适的距离布置在光源之前，以达到尽可能平滑的亮度分布，尤其是在光源处没有突出的局部峰值。
该装置的一个优选的实施例具有一种平面照明装置，其具有至少一个环形光源和一个散射体。散射体优选地构建为圆柱形并且其对称轴为该装置的纵向轴线，其中至少一个环形光源设置在圆柱形散射体的额端侧，这样就在轴向方向上照射穿过散射体。尤其优选的是，在圆柱形散射体的第一额端侧布置第一环形光源，在轴向上与第一额端侧相对的圆柱形散射体的第二额端侧布置第二环形光源。其中第一环形光源与第二环形光源如此布置，使得它们均在轴向方向上照射穿过散射体，它们尤其是具有相反的，并且指向散射体内部的发射光线方向。
第一环形光源和第二环形光源优选地互相独立控制。尤其优选的是，第一环形光源和第二环形光源在它们的亮度上互相独立控制。这样尤其能够通过第一环形光源和第二环形光源的不同的控制---尤其在散射体上---产生不同的轴向的结构性照明分布。例如可以产生一个轴向的结构性照明分布，其中控制第一环形光源具有最大亮度，同时控制第二环形光源具有最小亮度，尤其是产生连续增大或减小的照明器分布，尤其是产生线性或接近线性增加或减小的照明器分布。另外可以在控制第一环形光源具有最大亮度，同时控制第二环形光源具有最小亮度时产生其他的，尤其是与上述亮度分布相对或相反的亮度分布。
优选地环形光源具有多个照明元件，其例如由LED构成。尤其可能的是，至少一个环形光源构造为二极管环。单个的照明元件优选地共同或分别可控制。尤其优选的是，它们在亮度上---更优选地互相独立地---这样控制，优选能够产生至少一个预先确定的平面照明装置的照明分布，尤其是在散射体上。优选地通过单个照明元件的亮度的控制，可以---尤其在散射体上---产生多个不同的平面照明装置的照明分布。也能够实现在周向方向上的结构性照明器分布，其中控制至少一个环形光源的照明元件具有沿着周向方向的不同的亮度。例如照明分布可以产生具有余弦或正弦形状的走向或者类似的这种走向。
也可以产生在轴向方向和/或周向方向的结构性的照明分布。尤其有利的是，第一环形光源和第二环形光源的单个的照明元件的亮度分别可调节。
优选地，还可以应用较小或较大数量的环形光源。
优选地，应用至少一个摄像机、至少一个摄像机镜头和/或镜面布置和至少两个可控制的照明器和/或至少一个平面的照明器，这适用于产生更多的结构性的照明图样。
内壁，特别是钻孔内壁，从多个空间方向受到照明。从其中产生的亮度遮暗中可以得到关于壁表面的拓扑形貌的信息。一个特别的挑战是，产生光学的布置，一方面实现从不同空间方向照明钻孔壁，另一方面观察钻孔壁的整周和整个深度。为了将内壁区域成像，尤其是侧表面，整周优选应用由特殊物镜构成的成像布置，尤其是成像物镜，其具有锥形的、球形的、抛物线形的、椭圆形的或其他旋转对称的镜面。镜面也可以具有自由形状结构。优选地，镜面构造为凸出的。可替代地这里可以应用特殊设计的棱镜物镜，尤其是具有较大开口角度的物镜，例如鱼眼物镜。同样地，由多个平面的镜面组成的布置也是可能的，其以步进的方式测量钻孔内壁。优选地，这个物镜，尤其是旋转对称的物镜的光学轴线以及对称轴线设置为与圆柱形钻孔一致或接近一致。这样的物镜优选地将钻孔内壁的圆柱形环形区域形成在平面的环形区域，其能够利用电子摄像机并且优选一个物镜来观察。为了在进一步深度或整个深度观察钻孔内壁，该装置连同成像物镜在轴向方向上贯穿钻孔运动。这个运动可以连续或步进地实现。
为了照明内壁，优选应用同样的这个成像布置，尤其是成像镜头或上述的部分，其尤其地包括锥形的、球形的、或其他旋转对称的镜面。照明布置优选地包括多个光源，其可以直接照明钻孔的内表面，或者间接地通过上述用于观察内壁特别是钻孔内表面的物镜来照明。特别地，照明分别通过锥形的、球形的、或其他旋转对称的镜面实施。光源的数量优选大于1，尤其是为2、3或4。可替代地，也可以应用更高数量的光源。优选地，这些光源独立可调节。优选地，这些光源，尤其是照明元件或照明元件的组布置为，钻孔内表面能够被来自不同空间方向的光源直接或间接照明。尤其是光源布置成环或其他结构形状。尤其优选的是，当光源布置成环时，该布置的对称轴与旋转对称的镜面的对称轴一直或接近一致。这个环可以布置成与镜面有一个合适的轴向的距离，尤其是也在摄像机或摄像机镜头附近。
技术问题的解决还通过用于实施内壁的光学测量的方法，其中按照上述实施例应用该设备。其中利用摄像机以时间先后环视地拍摄内壁的轴向隔开的区域的图像序列，同时控制照明布置，以在拍摄图像序列的时候产生交替的亮度分布。其中关于这种方法在实现中的优点，在该装置中已经描述了。
特别地，在该方法中，拍摄多个轴向互相间隔的区域，其中尤其是图像到图像通过照明器布置来产生交替的亮度分布。优选地实施有限次不同亮度分布的循环，它们周期性地先后激活，其中尤其优选地对于每个亮度分布均拍摄一个图像，或者多个图像。该循环的最后一个亮度分布之后，重新激活该循环的第一个亮度分布，其中该循环一直到该方法的结束进行重复。
优选地，在该方法下，该设备至少部分地在轴向方向上步进或连续地移动。尤其优选的是，该装置整体地，尤其是摄像机、光学成像布置和照明器布置整体地，在轴向方向步进或连续地移动。这实现了不同内壁区域的可复制的摄像，其具有简单的分析以及整体上整个内壁的快速检测，尤其在生产过程中。
该方法的一个优选的实施方式的特点在于，实施交替的亮度分布，其频率为至少25Hz，优选地至少50Hz，优选地至少75Hz，优选地至少100Hz。优选地，实施交替的亮度分布，其频率为最高50kHz，优选地最高为10kHz，优选地最高为2kHz，优选地最高为500kHz，优选地最高为200kHz。其中亮度分布的交替的特点是从一个亮度分布到下一个亮度分布的交替，特别是在一个循环内或亮度分布的循环的序列中。
该方法的一个优选的实施方式的特点在于，产生预设数量的亮度分布的循环序列，其中对于每一个亮度分布均拍摄一张图像，并且分析摄像机的传感器的环形区域，其中环形区域的径向宽度---在传感器平面---作为传感器的像素数来测量，与亮度分布的预定数量相同或与它的整数的倍数相同。其中得出一个轴向的偏差，其由内壁的拍摄区域的下一个亮度分布到上一个特别是直接上一个拍摄的区域选择相同的像素高度，这是由环形区域的径向宽度给出的像素数，其在以下简称为“像素数”，除以亮度分布的预定数量并且乘以内壁上传感器的光学像素高度。以这种方式实现了整个内壁的非常快速的检测，以及简单的分析，尤其是通过在分析装置的存储器中的拍摄的图像的巧妙布置。
优选地，在每一次拍摄图像之后都全面读取传感器，或者至少读取传感器的矩形的兴趣区域，其能够表征环形区域。也可能的是，读取多个矩形的兴趣区域。在一个计算装置中优选只分析环形区域。
术语“内壁上的传感器的光学像素高度”尤其指的是---在轴向方向上测量的---从传感器上的像素的物理像素宽度，借助应用的成像布置，根据物理成像法则投影在内壁上的高度。
在这个规定的框架下，可以得到以下：每一次随着特定的亮度分布的摄像后，激活下一个亮度分布，并且下一次摄像相对于上一次摄像在轴向上错开，在亮度分布的完整的循环完成后，在亮度分布的下一个循环的第一个图像与亮度分布的之前的循环的第一张图像之间的轴向错位恰好是像素数的轴向高度乘以内壁的光学像素高度。通过这样的规定，对于内壁的每个区域---该方法的从始至终直到边缘区域---均能得到每个亮度分布的信息，其中同时在亮度分布的每一次激活后，并且优选地在每一次拍摄后发生装置的轴向错位，这样能够实现很短的测量时间。该装置在亮度分布循环执行时不必固定位置。
例如每个亮度分布的像素数为4，亮度分布的预定数量也为4，位于两个时间上直接相邻的摄像的轴向错位恰好为内壁的像素高度。如果例如应用四个亮度分布，每个激活的亮度分布和每个摄像的像素数为8，在两个先后排序的具有不同的亮度分布的摄像之间的轴向错位恰好为两倍的内壁的像素高度。
在该方法的优选实施例中，其中应用四个亮度分布，其中像素数为16，其中在这种情况下，在两个先后排序的具有不同的亮度分布的摄像之间的轴向错位恰好为四倍的内壁上的传感器的光学像素高度。
优选地，相应地控制装置的错位，以实现前述的规定，其中这通过装置的采用相应的合适的速度连续的错位实现，或者通过装置的步进的错位实现，尤其在每个摄像和/或亮度分布的每个交替之后实现。还可以实现的是控制或调整的错位，其中摄像机和照明布置优选地通过行程传感器来控制，尤其是启动。
为了解决边缘区域丢失信息的问题，优选地在要检测的内壁的检测中，在内壁的要检测区域的轴向前方开始检测，并在内壁的要检测区域的轴向后方结束检测，这样在分析中没有检测到的边缘区域就不属于要检测的区域，并且因此应当忽略。
该方法的一个优选的实施方式的特点在于，产生亮度分布的循环的序列的预定的数值，其中执行至少5个循环，优选至少20个循环，优选至少100个循环，优选至少500个循环。
尤其优选的是，在该方法中执行钻孔的光学内检测，尤其是内燃机的圆柱形钻孔，钻孔的形状测量，特别是内燃机的圆柱形钻孔，空腔的光学内检测，和/或空腔的形状测量。
该方法优选地适用于发动机活塞上或对应的钻孔的内检测，尤其是发动机活塞中的轮毂孔，或者发动机连杆的钻孔的光学内检测，或发动机的钻孔，尤其是汽车发动机，尤其是自动控制发动机或类似的。
该装置尤其适用于这些钻孔的光学内检测。
一方面该方法的描述和另一方面该装置的描述需要互相补充理解。尤其是该装置的特征，明示或暗示地结合方法进行描述，优选的是前述的装置的实施例的单个或互相结合的特征。以类似的方式结合装置明示或暗示地描述了方法步骤，优选的是前述的方法的实施例的单个或互相结合的步骤。该装置优选地具有至少一个特征，其通过至少一个按照本发明或优选的方法的实施例来实现。该方法至少具有一个步骤，其通过至少一个按照本发明或优选的装置的实施例来实现。
附图说明
本发明在下面借助附图更进一步解释，其中：
图1为内壁光学测量装置的第一实施例的示意图。
图2为第一实施例的详细示意图。
图3为该装置变化的实施例的详细示意图。
图4为该装置第三实施例的示意图。
图5为该装置第三实施例的另一个作用状态的示意图。
图6为该装置第四实施例的示意图。
图7为该装置第四实施例的另一个示意图。
图8为该装置第五实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了装置1的侧视图，包括摄像机K，具有摄像机物镜O和锥形镜面S的成像装置3，以及具有n＝4的光源9的照明装置5，光源9也称作照明器B1，B2，…一直到Bn。在示出的例子中，锥形镜面S具有90°的开口角度。另外装置1还包括圆柱形管R，其容纳了前述的光学元件并且至少在一个区域是透明的，优选在照明光路和/或观察光路经过的区域。优选地整个的装置1，在下文也被称作布置，借助一个没有在图中绘出的装置首先伸入到钻孔或空腔H中，直到达到理想的位置，然后在箭头方向上又往回运动。摄像可以可选地在伸入和/或移出钻孔期间实施。摄像优选地在移出钻孔期间实施。运动可以实施为步进地，特别优选地实施为连续运动。在步进或连续运动时，摄像机多次成像。镜面S和摄像机物镜O将内壁7的一部分，特别是钻孔内壁或空腔内壁HI，成像到摄像机的成像平面I上。图1因此包括了这样的光路。钻孔内壁的照明通过照明器B1到Bn，它们的光通过镜面S反射并且投射到钻孔内壁上。这里也示例地绘出了光路。照明和成像的时间过程如下。
首先钻孔内壁用第一个照明器，比如照明器B1照射，并且摄像机成像一次。图像传送到计算单元，其未在这里示出。成像优选地在运动中实施。装置撤回一定的距离之后，激活第二个照明器，例如照明器B2，实施一次成像。重复实施剩余的照明器，例如照明器B3和B4。然后又从第一个照明器开始了照明顺序。在步进或优选的连续运动过程中，装置的可见区域，其成像在摄像机的成像平面上，扫过钻孔内壁的理想区域。采集的图像在不同的亮度分布或照明情况中表示出钻孔内壁的点，例如通过本示例中的照明器B1，B2，B3或B4来照明。由于来自不同空间方向的照明器投射到钻孔内壁，图像中记录的在成像平面中的照明强度还取决于钻孔内壁的局部斜度。由此，通过在计算单元分析图像，实现了检测钻孔内壁的地形异常。同样可以实现，分析钻孔内壁的亮度特性。在图1中示出的装置的实施例特别用于暗室照明的钻孔内壁的摄像。
图2示出了照明装置5的例子，包括四个单个的照明器B1到B4，并环形分布。可选地，照明装置5也可以包括透明的控制元件，并优选地设置在照明器的附近。
可替代或另外地，照明装置也可以由单个照明器的组构成。图3示出了四组单个照明器的例子，每组又由四个单个的照明器组成。优选地，照明元件使用半导体光源，特别是LED。
另外还可以直接照明钻孔内壁，特别是用多个照明元件或多组照明元件。在优选的实施方式中，照明元件沿着圆柱侧面分布，其轴线与钻孔轴线重合或基本重合。圆柱侧面的直径选择为小于钻孔的直径。优选地，侧面分成多个周向区段或者轴向区段，这些区段均能够各自独立调节。特别地，沿着侧面的照明器能够在亮度上局部地结构性调节。特别地，可以是下面的照明器设置，实现特定的结构性照明器图样，尤其是余弦形状或正弦形状的图样，或者沿着照明器或照明器图样的轮廓，与这种分布接近的类似的图样。特别地，余弦形状或正弦形状的图样具有偏移量，以避免出现负的函数值。可替代地或附加地，照明器在轴向方向上同样能够实现结构性亮度，尤其是线性的亮度分布或者类似于这种走向的分布。
图4示出了具有钻孔内表面的直接照射的装置。这个装置可以包括锥形的镜面S。在实施例中，锥形的镜面具有一个大于90度的开口角度。一个平面的照明装置11，也被称作照明器F1，在实施例中是圆柱形的侧面，并且可以这样控制，从而能够实现多个不同的照明器分布。优选地，照明器F1具有郎伯发射特征，但是也可以是其他特征。优选地可以如此控制局部的照明密度，从而实现不同的照明器分布。图4示出了一个照明器分布的例子，其中照明密度在轴向方向上从下至上线性增加。这个照明器分布可以例如作为从多个照明器分布的序列中选择出来的第一个照明器分布BV 1。作为第二个照明器分布BV2，可以例如选择一个分布，其在轴向方向上从上到下线性递减。这样的照明器分布特别适合于在轴向方向上测量钻孔内壁的斜度。其他的照明器分布可以依次排列。
图5示出了多个可能的照明器分布的一个例子，尤其是作为在图4中示出的照明器分布的附加。在这里照明密度在周向方向上变化。尤其优选的是，照明器分布按照余弦形状或正弦形状在周向上变化。优选地在余弦函数或正弦函数上增加一个偏移量，以避免产生负的函数值。优选地沿着周向360°应用一个、两个或多个周期的余弦或正弦形状的照明器分布。尤其优选地，应用多个这样的余弦或正弦行政的照明器分布，尤其是，这些分布通过相位移动从一个原始分布推导而来。尤其优选的是，余弦或正弦分布在相位上平移了0°、90°、180°以及270°。尤其地，照明器分布的相位平移可以是BV3平移0°，BV4平移90°，BV5平移180°，BV6平移270°。这样的照明器分布尤其适合测量钻孔内壁在周向方向上的斜度。
如果在轴向和周向上均应用结构性的照明器分布，就能够既在轴向上又在周向上测量斜度。可替代或附加地，可以应用其他的结构性照明器分布，例如相对于轴向或周向具有对角线走向的结构。尤其可能的是，应用相对于轴向方向倾斜的余弦或正弦形状的图样，尤其优选的是倾斜+45°以及倾斜-45°。这些图样还可以在它们的相位上平移，优选地平移0°、90°、180°以及270°。特别优选的是8个照明器分布。照明器分布BV1至BV4例如相对于轴向方向平移+45°，以及相对于BV1的相位平移0°、90°、180°以及270°。这样的照明器分布适用于钻孔内壁的相对于轴向方向倾斜的斜度，尤其是倾斜+45°以及倾斜-45°的斜度的测量。通过坐标系转换可以再次得到轴向和周向方向的斜度。图4和图5中示出的装置尤其适用于明场照明中的内壁的摄像。
另外总体示出的是，借助此处提出的装置和方法，既能够测量镜面内壁，又能够测量漫散射内壁。其中明场照明尤其适用于镜面的，特别是高度镜面的内壁，其中暗场照明尤其适用于漫散射内壁。可替代地，也可以应用更多的平面的照明装置。
如在图6中所示的，平面的照明装置11以及平面的照明器F1也可以这样构建，它们由一个或多个环形照明器，称为环形光源，以及一个散射体构成。尤其优选地，应用两个环形照明器13、13’，其设置在优选的圆柱形散射体15的额端侧，并且优选地在轴向上照射穿透散射体15。环形照明器13、13’---如在图7中示例性地示出第一个环形照明器13---优选地又包括多个照明单元17，其中为了更好地概览只标记了一个附图标记17，并且它们在亮度上---优选地互相独立地---可控，这样就可以在平面的照明器F1和尤其是在散射体15上产生期望的照明分布。这样可以例如在具有最大亮度的第一环形照明器13和它的照明元件17以及具有最小亮度的第二环形照明器13’和它的照明元件的控制时产生轴向的结构性的照明分布，尤其是连续增加或降低的照明分布，尤其是线性或接近线性增加或降低的照明分布。另外可以在具有最大亮度的第一环形照明器13和它的照明元件17以及具有最小亮度的第二环形照明器13’和它的照明元件的控制时产生另一个，尤其是与前一个照明分布相反走向的照明分布。除了轴向的结构性照明分布，也可以产生周向的结构性照明分布，这是通过分别沿着周向方向可变地控制单个的第一环形照明器13的照明元件17以及第二环形照明器13’的照明元件的亮度。这样就能够在周向方向上产生结构性的照明分布，尤其是产生余弦以及正弦形状的走向或类似的走向。尤其地，也可以产生结构性的轴向和/或周向的照明分布。尤其有利地，第一环形照明器13的照明元件17以及第二环形照明器13’的照明元件的亮度分别独立调节。同样可以应用更小或更大数量的环形照明器13、13’。
图6和图7示出了这样的布置。同样的或同样功能的元件用相同的附图标记标识，这样就可以指向前面的描述。图7的图像平面垂直于图6的图像平面，尤其是，在图7中观察者的视野在轴向上朝向第一环形照明器13所在的散射体15的额侧面。优选地，在这样的设置中应用镜面S，尤其是锥形镜面，球形镜面，抛物面镜面，椭圆镜面，旋转对称镜面或自由形状镜面。尤其优选地，这种装置1只在明场工作。优选地在这种装置1中不存在暗场条件照明的区域。可替代地可以设置一个或多个开关19，其遮住可能的暗场区域。优选地可以如此实施光学和机械设施，使得可能的暗场区域在建造和/或光学条件下消除。
可替代地或附加地，多个照明元件，尤其是紧密相邻的照明元件，可设置在平面照明器F1的表面之上或附近，其优选地能够分别调节它们的亮度。优选地可以应用散射体，其最终将单个光源之间的连接处的不均一性抵消。
图8示出了一个装置，其包括两个平面的照明装置11，11’，也被称为照明器F1和F2。这使得钻孔内壁的可见区域位于两个平面的照明装置11，11’之间。锥体的开口角度可以是例如90°。优选地，照明分布延伸超过两个平面的照明器。例如，线性的照明也可分布在轴向上从平面照明器的一个开始，并延伸到第二个平面照明器上。在周向方向上的同样优选地延伸超过两个平面的照明器，这样在一个平面照明器上的照明分布延伸到第二个平面照明器上。可替代地，多于两个平面的照明器也是可以的。可替代或附加地，其他的照明器分布也是可能的，尤其是对角线走向的。图8中示出的装置的实施例尤其适用于在明场中的内壁的摄像。这里选择的照明布置也可以存在轴向的区域，在轴向的区域实现暗场照明。但是对于内壁的摄像，优选地实际上只应用一种照明方式。尤其，通过合适地构建或布置的遮挡单元实现，由摄像机摄像的内壁的区域具有特定的照明条件，尤其是只在明场照明或只在暗场照明条件下摄像。这样对于内壁实现确定的照明条件是可能的，这减轻了摄像的分析工作。

Claims (22)

1.一种用于内壁光学探测的装置(1)，包括：
-至少一个摄像机(K)，
-光学成像布置(3)，以及
-照明布置(5)，其中
-所述装置适用于利用摄像机(K)环视地拍摄内壁(7)的多个轴向互相错开的区域，
其特征在于，
所述照明布置(5)具有至少两个不同的功能状态，其中由照明布置(5)发出的第一亮度分布对应于第一功能状态，此亮度分布区别于在至少一个第二功能状态由所述照明布置(5)发出的第二亮度分布，所述照明布置(5)设置为发出轴向的、径向的和/或周向的变化的亮度分布，其中，所述装置(1)设置为在所述第一亮度分布和所述第二亮度分布之间交替的频率为至少25Hz；
其中，与所述照明布置(5)的每个功能状态对应的所述亮度分布为辐射亮度。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述照明布置(5)具有至少三个不同的功能状态，其中每个功能状态对应于与其他功能状态的亮度分布不同的一个亮度分布。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述照明布置(5)具有至少四个不同的功能状态。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个摄像机(K)，所述光学成像布置(3)以及照明布置(5)构造成一起集成地可移动。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个摄像机(K)，所述光学成像布置(3)以及照明布置(5)构造成互相集成。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个摄像机(K)，所述光学成像布置(3)以及照明布置(5)构造成互相关联。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学成像布置(3)包括一个摄像机物镜(O)和/或镜面布置(S)。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述照明布置(5)适用于和/或设置为内壁(7)的直接照明，和/或所述照明布置(5)适用于和/或设置为内壁(7)的间接照明。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述照明布置(5)包括至少两个互相独立的可控的光源(9)和/或至少一个平面的照明装置(11,11’)，其中所述平面的照明装置(11,11’)设置为在第一功能状态中呈现第一结构性照明图样并且在第二功能状态中呈现与第一照明图样不同的第二结构性照明图样。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述照明布置(5)包括至少两个在轴向上间隔布置的平面的照明装置(11,11’)，其中成像布置(3)如此设置并相对于照明装置(11,11’)放置，使得内壁(7)的区域轴向地在所述平面的照明装置(11,11’)与摄相机之间可成像。
11.如权利要求1至10中任意一项所述的装置，其特征在于，所述照明布置(5)具有至少两个轴向上互相间隔的环形的光源(9)，其互相独立调节。
12.用于内壁光学探测的方法，利用用于内壁光学探测的装置(1)，所述用于内壁光学探测的装置(1)包括至少一个摄像机(K)，光学成像布置(3)以及照明布置(5)；
其中，所述照明布置(5)具有至少两个不同的功能状态，其中由照明布置(5)发出的第一亮度分布对应于第一功能状态，所述第一亮度分布区别于在至少一个第二功能状态由所述照明布置(5)发出的第二亮度分布，所述照明布置(5)设置为发出轴向的、径向的和/或周向的变化的亮度分布，其中，所述装置(1)设置为在所述第一亮度分布和所述第二亮度分布之间交替的频率为至少25Hz；
其中，与所述照明布置(5)的每个功能状态对应的所述亮度分布为辐射亮度；
所述方法包括：
-利用摄像机(K)环视地将内壁(7)的轴向的互相错开的区域按时间先后拍摄图像序列，其中同时
-控制所述照明布置(5)在图像序列拍摄期间发出交替频率为至少25Hz的亮度分布。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述装置(1)至少部分地在轴向方向上步进地或连续地移动。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述装置(1)整体地在轴向方向上步进地或连续地移动。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，亮度分布的交替实施的频率为至少50Hz。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，亮度分布的交替实施的频率为至少75Hz。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，亮度分布的交替实施的频率为至少100Hz。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，
-产生亮度分布的预定数值的循环序列，其中
-对于每个亮度分布，将摄像机(K)的传感器的具有测量为传感器的像素数的径向宽度的环形区域进行分析，其中像素数等于亮度分布的预定数值或者等于上述值的整数倍，其中
-得出一个轴向的偏差，其由内壁(7)的拍摄区域的下一个亮度分布到直接上一个拍摄的区域选择相同的像素高度，这是由环形区域的径向宽度给出的像素数，除以亮度分布的预定数量并且乘以内壁(7)上传感器的光学像素高度。
19.如权利要求12至18中任意一项所述的方法，其特征在于，产生亮度分布的循环的序列的预定的数值，其中执行至少5个循环。
20.如权利要求12至18中任意一项所述的方法，其特征在于，产生亮度分布的循环的序列的预定的数值，其中执行至少20个循环。
21.如权利要求12至18中任意一项所述的方法，其特征在于，产生亮度分布的循环的序列的预定的数值，其中执行至少100个循环。
22.如权利要求12至18中任意一项所述的方法，其特征在于，产生亮度分布的循环的序列的预定的数值，其中执行至少500个循环。
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