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HTNTERGRUND
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Bohrungsinspektionssysteme und ganz besonders Bohrungsabbildungssysteme.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Verschiedene Bohrungsabbildungssysteme sind bekannt, die eine Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung zum Abbilden des Inneren einer Bohrung, beispielsweise in einer Zylinderbohrung eines Motors, verwenden. Beispielhafte Bohrungsinspektionssysteme sind in den
US-Patenten mit den Nm. 4,849,626 (das 626-Patent);
7,636,204 (das 204-Patent);
8,334,971 (das 971-Patent);
8,570,505 (das 505-Patent) und der US-Patentanmeldung Nr. 2013/0112881 offenbart, die jeweils hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen sind. Derartige Bohrungsabbildungssysteme können dazu konfiguriert sein, eine 360-Grad-Ansicht (auch als Panoramaansicht und/oder Panoramabild bezeichnet) des Inneren einer Bohrung bereitzustellen, um auf Passfehler oder Oberflächendefekte zu inspizieren. Einige derartige Systeme verwenden eine hochauflösende Optik. In jedem Fall können derartige Systeme eine Signalverarbeitung verwenden, um Bildpixelsignale oder Detektorelementsignale auf Koordinaten innerhalb des Inneren der Bohrung abzubilden. In einigen derartigen Systemen kann ein Panoramabild eines ungefähr ringförmigen Teils einer Bohrung auf ein zweidimensionales (2D) rechteckiges Abbildungsarray in einem kreisförmigen Muster, das der Form des ringförmigen Teils entspricht, projiziert werden. Die kreisförmigen oder ringförmigen Bildpixel können dann einen verhältnismäßig großen Satz von Pixeln (z. B. ein Großteil des rechteckigen Abbildungsarrays) umspannen, während tatsächlich nur ein verhältnismäßig kleiner Anteil dieses Satzes von Pixeln (z. B. ein ringförmiges Bildmuster innerhalb des rechteckigen Abbildungsarrays) abgebildet wird. Ein typisches Abbildungsarray muss jedes Pixel auslesen, das von dem Kreis oder Ring umspannt wird, selbst wenn Pixel innerhalb oder außerhalb des ringförmigen Bildmusters für eine Inspektion der Bohrung nicht relevant sind. Das kontinuierliche Auslesen von irrelevanten Pixeln nimmt Zeit in Anspruch, was die Geschwindigkeit begrenzt, mit der ein derartiges Bohrungsabbildungssystem dazu verwendet werden kann, um eine Bohrung zu inspizieren. Einige Systeme (z. B. wie in dem 626-Patent offenbart) haben Faseroptik-Abbildungswege verwendet und jede Faser zu einem entsprechenden Fotodetektor geleitet. Konfigurationen derartiger System haben jedoch auch Geschwindigkeitsbegrenzungen sowie Abbildungsbegrenzungen eingeführt, die eine begrenzte Auflösung und/oder Vielseitigkeit in Bezug auf den Bereich von Bohrungsgrößen haben, die unter Verwendung eines gegebenen Systems inspiziert werden können.
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Ein berührungsloses, hochauflösendes Hochgeschwindigkeitsbohrungsabbildungssystem von Messtechnikqualität, das die oben umrissenen Probleme löst, wäre wünschenswert.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein Bohrungsabbildungssystem wird offenbart, das einen Fotodetektor, der einen ausgelesenen Satz von Pixeln umfasst, und eine Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung umfasst, die dazu konfiguriert ist, Bildlicht, das von einer Bildzone auf der Bohrungsoberfläche stammt, an den Fotodetektor zu übertragen, wobei die Bildzone eine Form aufweist, die durch eine verhältnismäßig schmale Bilddimension entlang einer Achsrichtung der Bohrung und eine verhältnismäßig verlängerte Bilddimension entlang einer Richtung, die quer zu der Achsrichtung der Bohrung ist, gekennzeichnet ist. Die Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung umfasst ein Bildgeometrie umwandelndes Faserbündel, das mehrere Lichtleitfasern mit Eingabeenden und Ausgabeenden umfasst, und eine Linsenanordnung (die eine Apertur oder mehrere Aperturen umfassen kann), die sich entlang eines optischen Wegs zwischen den Faserenden und der Bohrungsoberfläche befindet. Die Eingabeenden sind in einer Eingabeform konfiguriert, die ungefähr auf eine Form der Bildzone abgebildet wird, einschließlich einer verhältnismäßig schmalen Eingabedimension entlang einer ersten Richtung, die auf die Achsrichtung abgebildet wird, und einer verhältnismäßig verlängerten Eingabedimension entlang einer zweiten Richtung, die quer zu der ersten Richtung ist. Die Eingabeenden sind dazu angeordnet, Bildlicht zu empfangen, das von der Bildzone stammt und durch die Linsenanordnung verläuft. Die Ausgabeenden des Bildgeometrie umwandelnden Faserbündels sind in einer Nebenebene oder nahe zu dem ausgelesenen Satz von Pixeln angeordnet, um das Bildlicht an den ausgelesenen Satz von Pixeln weiterzuleiten oder zu übertragen, wobei a) die Ausgabeenden und/oder b) der ausgelesene Satz von Pixeln derart konfiguriert sind, dass mindestens 25% des ausgelesenen Satzes von Pixeln das übertragene Bildlicht empfangen. In verschiedenen Ausführungsformen stellt ein derartiges System eine hohe Durchsatzrate für aussagefähige Bilddaten und eine Abbildungskonfiguration von Messtechnikqualität bereit, die in Bezug auf das Messen eines Bereichs von Bohrungsgrößen mit hoher Auflösung vielseitig ist. In verschiedenen Ausführungsformen können diese Vorteile ohne Verwenden einer maßgeschneiderten Fotodetektorkonfiguration erzielt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die verhältnismäßig verlängerte Bilddimension 360 Grad um die Bohrung abdecken. In verschiedenen Ausführungsformen ermöglichen die hierin offenbarten Merkmale, dass die Bildzone axial entlang der Bohrung mit einer beispiellosen Rate gescannt wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Die vorstehenden Gesichtspunkte und viele der dazugehörigen Vorteile werden einfacher anerkannt werden, wenn dieselben durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden, wobei in den Zeichnungen:
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1 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Bohrungsabbildungssystems gemäß hierin offenbarten Prinzipien ist;
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die 2A und 2B schematische Diagramme einer ersten Ausführungsform einer Linsenanordnung sind, die in einem Bohrungsabbildungssystems gemäß hierin offenbarten Prinzipien verwendbar ist;
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3 ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform einer Linsenanordnung ist, die in einem Bohrungsabbildungssystems gemäß hierin offenbarten Prinzipien verwendbar ist;
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4 ein schematisches Diagramm einer anderen Ausführungsform eines Bohrungsabbildungssystems gemäß hierin offenbarten Prinzipien ist;
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5A ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform der Ausgabeenden eines Bildgeometrie umwandelnden Faserbündels für ein Bohrungsabbildungssystem gemäß hierin offenbarten Prinzipien ist und
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5B ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform eines ausgelesenen Satzes von Pixeln für ein Bohrungsabbildungssystem gemäß hierin offenbarten Prinzipien ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Bohrungsabbildungssystems 100 gemäß hierin offenbarten Prinzipien. Das Bohrungsabbildungssystem 100 umfasst einen Fotodetektor 110, eine Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 120 und einen Detektorverarbeitungsteil 195. 1 ist gemäß Zylinderkoordinaten Z, R und Φ angeordnet, die in diesem Beispiel mit einer zylindrischen Bohrung ausgerichtet sind. Der Fotodetektor 110 umfasst einen ausgelesenen Satz von Pixeln 111, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben. Die Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 120 umfasst ein Bildgeometrie umwandelndes Faserbündel 130, das mehrere Lichtleitfasern 131 (z. B. 131n) mit Eingabeenden 132 (z. B. 132n) und Ausgabeenden 133 (z. B. 133n) umfasst, und eine Linsenanordnung 190, die sich entlang eines optischen Wegs zwischen den Eingabeenden 132n und einer Bohrungsoberfläche 160 befindet. In einigen Ausführungsformen kann das Geometrie umwandelnde Faserbündel 130 ungefähr 5000 Lichtleitfasern 131 umfassen. Die Ausführungsform der in 1 gezeigten Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 120 umfasst außerdem eine fakultative, schematisch dargestellte Relaislinsenkonfiguration 125, die die Ausgabeenden 133 auf den ausgelesenen Satz von Pixeln 111 entlang einem optischen Ausgabeweg abbildet. Auf Wunsch kann die Relaislinsenkonfiguration 125 in verschiedenen Ausführungsformen eine gewünschte Vergrößerung oder Verkleinerung oder eine variable Vergrößerung bereitstellen. In einigen Ausführungsformen kann die Relaislinsenkonfiguration 125 weggelassen werden und der Fotodetektor 110 kann sich nahe oder aufliegend auf den Ausgabeenden 133 befinden, so dass der optische Ausgabeweg zwischen den Ausgabeenden 133 und dem ausgelesenen Satz von Pixeln 111 keine Linsen umfasst.
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Die Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 120 ist dazu konfiguriert, im Betrieb Bildlicht 140, das von einer Bildzone 150 auf der Bohrungsoberfläche 160 stammt, an den Fotodetektor 110 und insbesondere an den ausgelesenen Satz von Pixeln 111 zu übertragen. Die Bildzone 150 weist eine Form auf, die durch eine verhältnismäßig schmale Bilddimension δZ entlang einer Achsrichtung Z der Bohrung und eine verhältnismäßig verlängerte Bilddimension δϕ entlang einer Richtung, die quer zu der Achsrichtung Z der Bohrung ist, gekennzeichnet ist. In der in 1 gezeigten Ausführungsform umspannt die Bilddimension δϕ den gesamten Umfang der Bohrungsoberfläche 160. Die Eingabeenden 132n sind in einer Eingabeform konfiguriert, die ungefähr auf eine Form der Bildzone 150 abgebildet wird, einschließlich einer verhältnismäßig schmalen Eingabedimension entlang einer ersten Richtung, die auf die Achsrichtung Z abgebildet wird, und einer verhältnismäßig verlängerten Eingabedimension entlang einer zweiten Richtung, die quer zu der ersten Richtung ist (d. h. die entlang der Bohrungsumfangsrichtung der Bildzone 150 abgebildet wird). In dem dargestellten Beispiel ist die Eingabeform ein Zylinder oder Ring, der von der Linsenanordnung 190 abgebildet wird. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die erste Richtung ungefähr entlang der Achsrichtung Z und die zweite Richtung ist ungefähr entlang der Richtung, die der ϕ-Koordinatenachse entspricht. Die Eingabeenden 132n sind dazu angeordnet, Bildlicht 140 zu empfangen, das von der Bildzone 150 stammt und durch die Linsenanordnung 190 verläuft. Die Ausgabeenden 133n sind dazu angeordnet, das Bildlicht 170 an den ausgelesenen Satz von Pixeln 111 entlang einem optischen Ausgabeweg zu übertragen, z. B. unter Verwendung entweder der Relaislinsenkonfiguration 125 oder einem nahe gelegenen Detektor, wie oben umrissen. Um einen hohen Bilddatendurchsatz bereitzustellen, sind in verschiedenen Ausführungsformen a) die Ausgabeenden 133n und/oder b) der ausgelesene Satz von Pixeln 111 derart konfiguriert, dass mindestens 25% des ausgelesenen Satzes von Pixeln das übertragene Bildlicht 170 empfangen. In einigen Ausführungsformen ist der ausgelesene Satz von Pixeln 111 derart konfiguriert, dass mindestens 50% des ausgelesenen Satzes von Pixeln 111 das übertragene Bildlicht 170 empfangen. In einigen Ausführungsformen ist der ausgelesene Satz von Pixeln 111 derart konfiguriert, dass mindestens 75% des ausgelesenen Satzes von Pixeln das übertragene Bildlicht 170 empfangen.
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Man sollte zu schätzen wissen, dass der ausgelesene Satz von Pixeln 111 ein Teilsatz einer Gesamtanzahl von Pixeln eines Abbildungsarrays des Fotodetektors 110 sein kann. Einige im Handel erhältliche Fotodetektorarrays können beispielsweise gesteuert oder konfiguriert werden, um einen ausgewählten oder adressierbaren Teilsatz von Pixeln auszulesen, der weniger als alle Pixel des Arrays ausmacht. Eine derartige Vorrichtung ist der Bildsensor KAI-0340 von Kodak, der in einem Teilscan-Betriebsmodus mit hoher Bildfrequenz arbeitet und von Truesense Imaging, Inc., Rochester, New York und anderen erhältlich ist. Ein Auslesen eines Teilsatzes von Pixeln kann in einem kürzeren Zeitintervall vorgenommen werden, als das Auslesen des gesamten Arrays in Anspruch nimmt. In einigen Ausführungsformen kann der ausgelesene Satz von Pixeln 111 weniger als die Hälfte der Pixel eines Abbildungsarrays ausmachen. In einigen Ausführungsformen kann der ausgelesene Satz von Pixeln 111 weniger als 25% der Pixel eines Abbildungsarrays ausmachen. In einigen Ausführungsformen kann der ausgelesene Satz von Pixeln 111 weniger als 10% der Pixel eines Abbildungsarrays ausmachen. In einigen Vorrichtungen ist der ausgewählte oder adressierbare Teilsatz wünschenswert ein Block zusammenhängender Pixel (z. B. aufgrund von Vorrichtungsbetriebseinschränkungen oder um die kürzeste Auslesezeit für eine bestimmte Anzahl von Pixeln bereitzustellen). In einem derartigen Fall kann es optimal sein, dass die Ausgabeenden 133 in einer Ausgabeform AF angeordnet werden, die ungefähr mit der Form des ausgelesenen Teilsatzes von Pixeln übereinstimmt, oder die anderweitig ausgewählt wird, um die Ausgabeenden 133 auf einen gewünschten Anteil des ausgelesenen Satzes von Pixeln abzubilden, um die Auslesezeit effizient für aussagefähige Bilddaten gemäß hierin offenbarten Prinzipien zu verwenden.
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Ein Eingabeende einer typischen Lichtleitfaser weist in der Regel eine hohe numerische Apertur auf. Glasfasern können beispielsweise eine numerische Apertur zwischen 0,11 und 0,65 aufweisen. Wenn Eingabeenden eines faserbasierten Abbildungssystems nicht in Kontakt oder sehr engem Kontakt mit einer Bohrungsoberfläche sind, können folglich „Nebensprechen” zwischen benachbarten Fasern und eine schlechte Abbildungsauflösung vorliegen. Die Linsenanordnung
190 ermöglicht dem Bohrungsabbildungssystem
100, die Bohrungsoberfläche
160 abzubilden, ohne dass Kontakt mit der Bohrungsoberfläche
160 erforderlich ist. Insbesondere müssen die Eingabeenden nicht nahe der Bohrungsoberfläche sein, beispielsweise wie in dem
US-Patent Nr. 4,849,626 gelehrt, das Lichtleitfasern nutzt, die auf einem Dorn getragen werden, der in Kontakt oder sehr engem Kontakt mit einer Bohrungsoberfläche ist, um ein Bild bereitzustellen. Ein derartiges Bohrungsabbildungssystem muss Faserenden nahe der Bohrungsoberfläche, z. B. 20–50 μm, anordnen, wobei das genaue Ausrichten sehr schwierig sein kann. Trotzdem kann die Oberfläche mit einer verhältnismäßig schlechten lateralen Auflösung abgebildet werden. Die Linsenanordnung
190 ermöglicht eine größere Distanzierung von der Bohrungsoberfläche
160, eine größere Schärfentiefe, eine mehr fehlerverzeihende Ausrichtung und die Fähigkeit zum Abbilden eines Bereichs von Bohrungsgrößen.
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Man sollte zu schätzen wissen, dass Beleuchtungskomponenten der Einfachheit halber nicht in 1 gezeigt sind. Bekannte Beleuchtungssysteme wie LED-Ringe können für das Bohrungsabbildungssystem 100 geeignet sein. Beispielhafte LED-Ringe sind von Schott Moritex in San Jose, CA, USA, erhältlich.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Eingabeenden 132 dazu angeordnet, das Bildlicht 140 entlang einer Richtung, die quer zu der Achsrichtung Z ist, ganz besonders entlang einer nach innen gerichteten radialen Richtung, die entlang der Richtung R sein kann, die ungefähr lotrecht zu der Bohrungsoberfläche 160 ist, zu empfangen. Im Betrieb befinden sich die Eingabeenden 132 und ihre assoziierten optischen Komponenten in der Linsenanordnung 190, die weiter unten erörtert werden, in einem einsatzbereiten Abbildungsabstand oder einer einsatzbereiten Brennweite von der Bohrungsoberfläche 160, wenn die Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 120 sich entlang der Scan-Richtung SR bewegt.
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In einigen Ausführungsformen kann die Relaislinsenkonfiguration 125 eine Vergrößerung von –0,25 haben.
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In einigen Ausführungsformen kann die Eingabedimension δZ der Form der Bildzone 150, die von der Linsenanordnung 190 bereitgestellt wird, ungefähr 40 μm betragen. Die Bildzone 150 kann den gesamten Umfang einer Bohrung umspannen, so dass für eine Bohrung mit einem Durchmesser von 80 mm die Eingabedimension δϕ ungefähr 250 mm beträgt. In einigen Ausführungsformen kann die Bildzone 150 nicht den gesamten Umfang einer Bohrung umspannen.
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Man sollte zu schätzen wissen, dass kleinere Fasern verwendet werden können, um eine höhere Abbildungsauflösung bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen können die Lichtleitfasern 131n einen Durchmesser von weniger als 40 um aufweisen.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform kann die Linsenanordnung 190 ein Mikrolinsenarray umfassen. In alternativen Ausführungsformen kann die Linsenanordnung 190 eine ringförmige Linse mit einem konstanten Querschnitt umfassen, die dazu konfiguriert ist, Strahlen innerhalb der R-Z-Ebene zu fokussieren.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Eingabeenden 132 in einer Kreisform angeordnet. In einigen Ausführungsformen können die Ausgabeenden 133n in einer Ausgabeform AF angeordnet sein, die ungefähr rechteckig ist (z. B. wie in 5A gezeigt), aus den oben umrissenen Gründen.
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In einigen Ausführungsformen kann der Detektorverarbeitungsteil
195 Pixel des ausgelesenen Satzes von Pixeln
111 auf jeweilige Stellen in einem dechiffrierten Bild der Bildzone
150 abzubilden. Eine Abbildungsbeziehung zwischen der Eingabeendestelle und/oder einer Bildteilstelle einer Nebenebene, die der Bildzone
150 entspricht, und den Ausgabeenden
133 und/oder den Pixeln des ausgelesenen Satzes von Pixeln
111 kann durch bekannte „Kalibrier-”, Entsprechungs- oder Abbildungsvorgänge bestimmt werden, wie beispielsweise in dem
US-Patent Nr. 6,587,189 offenbart, das hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit hierin aufgenommen ist. Eine derartige Abbildung kann zum Zeitpunkt der Fertigung des Systems oder zu einer anderen zweckdienlichen Zeit und an einem anderen zweckdienlichen Ort durchgeführt werden und die resultierenden Beziehungen können in dem System gespeichert und zur Echtzeit-Entsprechung im Gebrauch verwendet werden. Die Kalibrierung muss nicht an Ort und Stelle von einem Benutzer durchgeführt werden. In einigen Ausführungsformen kann der Detektorverarbeitungsteil
195 dazu konfiguriert sein, ein Bild oder Bilddaten, das bzw. die der Bildzone
150 entsprechen, zu rekonstruieren und anzuzeigen.
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Die 2A und 2B sind schematische Diagramme einer ersten Ausführungsform einer Linsenanordnung 290, die als die Linsenanordnung 190 des in 1 gezeigten Bohrungsabbildungssystems verwendbar ist 2A zeigt Komponenten eines typischen Bildkanals IC230a, der mit der Lichtleitfaser 231a assoziiert ist, die in einem Geometrie umwandelnden Faserbündel (z. B. dem in 1 gezeigten Geometrie umwandelnden Faserbündel 130 ähnlich) enthalten ist. Das Geometrie umwandelnde Faserbündel und die assoziierte Linsenanordnung 290 umfassen mehrere ähnliche Bildkanäle. 2A zeigt eine Ansicht entlang einer Richtung, die zu der R-Z-Ebene eines Bildkanals IC230a lotrecht ist, und 2B zeigt eine Draufsicht von zwei benachbarten Bildkanälen IC230a und IC230b entlang einer Richtung, die zu der Achsrichtung Z parallel ist. Der Teil der Linsenanordnung 290, der mit dem Bildkanal IC230a assoziiert ist, ist mit 290a bezeichnet und umfasst eine begrenzende Apertur 291a, die sich vor einer Mikrolinse 293a befindet, und eine begrenzende Apertur 292a, die sich an einer hinteren Brennebene der Mikrolinse 293a befindet. Der Teil der Linsenanordnung 290, der mit dem Bildkanal IC230b assoziiert ist, ist mit 290b bezeichnet. Der Bildkanal IC230a umfasst weiterhin ein Eingabeende 232a einer Einzelfaser 231a, das sich nahe der begrenzenden Apertur 292a befindet. Die Mikrolinse 293a und die Aperturen 291a und 292a sind dazu konfiguriert, nominell kollimiertes Licht 240 von einer Abbildungszone 250 einer Bohrungsoberfläche 260 in das Eingabeende 232a zu fokussieren. In einigen Ausführungsformen kann die Mikrolinse 293a eine Vergrößerung von –1 haben. Im Gegensatz dazu, wie in 2B gezeigt, sind die begrenzenden Aperturen 291a und 292a dazu konfiguriert, nicht-kollimiertes Licht, wie die Lichtstrahlen 241, die außerhalb eines Blickfelds 251a herrühren, daran zu hindern, in den Bildkanal IC230a einzutreten. Dies verhindert, dass Licht aus einer Region, die nominell durch eine benachbarte Faser abgebildet werden sollte (z. B. aus einer Region im Blickfeld 251b des Bildkanals IC230b), in das Eingabeende 232a der Faser 231a eintritt, und unterdrückt folglich „Bild-Nebensprechen” zwischen benachbarten Fasern. Dies kann dahingehend verstanden werden, dass es die laterale Bildauflösung des Systems verbessert. Man wird auch zu schätzen wissen, dass eine derartige Linsenanordnung außerdem die Schärfentiefe verbessert, was eine Abbildung eines Bereichs von Bohrungsgrößen in Messtechnikqualität ermöglicht.
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3 ist ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform einer Linsenanordnung 390, die als die Linsenanordnung 190 des in 1 gezeigten Bohrungsabbildungssystems verwendbar ist. 3 zeigt Komponenten eines typischen Bildkanals IC330a, der mit der Lichtleitfaser 331a assoziiert ist, die in einem Geometrie umwandelnden Faserbündel (z. B. dem in 1 gezeigten Geometrie umwandelnden Faserbündel 130 ähnlich) enthalten ist. Das Geometrie umwandelnde Faserbündel und die assoziierte Linsenanordnung 390 umfassen mehrere ähnliche Bildkanäle. 3 zeigt eine Ansicht entlang einer Richtung, die lotrecht zu der R-Z-Ebene ist, eines Bildkanals IC330a. Die Linsenanordnung 390 ist der Linsenanordnung 290 ähnlich, mit Ausnahme von einer Biegung in dem optischen Weg, die von dem Reflektor 396a bereitgestellt wird, und der Betrieb von mit 3XX nummerierten Elementen kann durch Analogie zu der Beschreibung der ähnlich nummerierten Elemente 2XX in den 2A und 2B verstanden werden. In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist das Eingabeende der Einzelfaser 33la nicht lotrecht zu der Bohrungsoberfläche 360 ausgerichtet. Stattdessen ist der Reflektor 396a dazu konfiguriert, Licht von der Mikrolinse 393a in das Eingabeende 332a zu reflektieren. In einigen Ausführungsformen kann die Mikrolinse 393a eine Vergrößerung von –1 haben. In einigen Ausführungsformen kann der Reflektor 396a einen einzelnen Reflektor umfassen. In anderen Ausführungsformen kann der Reflektor 369a einen Teil eines ringförmigen Reflektors umfassen, der ähnliche Teile für andere Abbildungskanäle bereitstellt. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Anordnungsgerüst zum Zusammenfügen und/oder Halten verschiedener Komponenten, die in den 1–3 gezeigt sind, in der korrekten Beziehung durch 3D-Druck oder dergleichen gefertigt werden.
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In der in 2A gezeigten Ausführungsform können einzelne Fasern (z. B. die Einzelfaser 231a) gebogen werden, so dass ihre jeweiligen Eingabeenden (z. B. das Eingabeende 232a) nach außen in der R-Richtung weisen. Einzelne Fasern können jedoch einen minimal zulässigen Biegeradius aufweisen und Größenbeschränkungen innerhalb einiger Bohrungsabbildungssysteme können verhindern, dass die einzelnen Fasern sich biegen, um nach außen in der R-Richtung zu weisen, da dies einen kleinen Biegeradius erfordern würde. Ein typischer minimaler Biegeradius von Kunststofflichtleitfasern kann 0,4 mm sein, was für die in 2A gezeigte Ausführungsform geeignet sein kann. Ein typischer minimaler Biegeradius von Glaslichtleitfasern kann 30 mm sein. In einigen Ausführungsformen, die Glasfasern nutzen können, kann die in 3 gezeigte Ausführungsform folglich zum Vermeiden dieser Designbeschränkung und zum Bereitstellen von Systemen, die zum Inspizieren kleinerer Bohrungen angepasst werden können, vorteilhaft sein.
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4 ist ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform eines Bohrungsabbildungssystems 400. Das Bohrungsabbildungssystem 400 umfasst einen Fotodetektor 410, eine Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 420 und einen Detektorverarbeitungsteil 495. 4 ist gemäß Zylinderkoordinaten Z, Rund Φ angeordnet, die mit einer Achse einer Bohrung ausgerichtet sind. Der Fotodetektor 410 umfasst einen ausgelesenen Satz von Pixeln 411. Die Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 420 umfasst ein Bildgeometrie umwandelndes Faserbündel 430, das mehrere Lichtleitfasern 431 (z. B. 431n) mit Eingabeenden 432 (z. B. 432n) und Ausgabeenden 433 (z. B. 433n) umfasst, und eine Linsenanordnung 490, die sich entlang eines optischen Wegs zwischen den Eingabeenden 432 und einer Bohrungsoberfläche 460 befindet. Die Linsenanordnung 490 umfasst eine Panoramalinse. In einigen Ausführungsformen kann das Geometrie umwandelnde Faserbündel 430 ungefähr 6000 Lichtleitfasern 431 umfassen. Die Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 420 umfasst außerdem eine Relaislinse 425 und eine Abbildungsoptik 435.
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Die Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 420 ist dazu konfiguriert, im Betrieb Bildlicht 440, das von einer Bildzone 450 auf der Bohrungsoberfläche 460 stammt, an den Fotodetektor 410 und insbesondere an den ausgelesenen Satz von Pixeln 411 zu übertragen. Die Eingabeenden 432 sind dazu angeordnet, Bildlicht 440 zu empfangen, das von der Bildzone 450 stammt und durch die Linsenanordnung 490 verläuft. Ganz besonders ist die Linsenanordnung 490 dazu konfiguriert, das Bildlicht 440 entlang einer Richtung R, die quer zu der Achsrichtung Z ist, einzugeben, das Bildlicht 440 abzulenken und das Bildlicht 440 entlang einer Panorama-Ausgaberichtung PAR zu der Relaisoptik 435 auszugeben. In der in 4 gezeigten Ausführungsform ist die Panorama-Ausgaberichtung PAR ungefähr parallel zu der Achsrichtung Z. Die Relaisoptik 435 ist dazu konfiguriert, das Bildlicht 440 zu verkleinern und es an die Eingabeenden 432 der Lichtleitfasern 431 zu übertragen. Die Ausgabeenden 433 sind dazu angeordnet, das Bildlicht 470 an den ausgelesenen Satz von Pixeln 411 entlang einem optischen Ausgabeweg zu übertragen, z. B. unter Verwendung entweder der Relaislinse 425 oder einem nahe gelegenen Detektor, wie zuvor umrissen. Um einen hohen Bilddatendurchsatz bereitzustellen, sind in verschiedenen Ausführungsformen a) die Ausgabeenden 433 und/oder b) der ausgelesene Satz von Pixeln 411 derart konfiguriert, dass mindestens 25% des ausgelesenen Satzes von Pixeln das übertragene Bildlicht 470 empfangen. Die Relaislinse 425 ist dazu konfiguriert, das Bildlicht 470 von den Ausgabeenden 433 einzugeben und das Bildlicht 470 an den ausgelesenen Satz von Pixeln 411 auszugeben.
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In einigen Ausführungsformen wird das Bohrungsabbildungssystem 400 im Betrieb entlang einer Scan-Richtung SR bewegt, um Bilder bereitzustellen, die die Bohrung entlang der Achsrichtung abdecken. In alternativen Ausführungsformen kann die Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 420 Bildwegjustierungselemente umfassen, die verformbare und/oder koordinierte bewegbare Abbildungselemente umfassen, die das Blickfeld und den Fokus des Systems axial entlang der Bohrung ablenken, ohne dazu die gesamte Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 420 entlang der Scan-Richtung SR bewegen zu müssen. Ein derartiges System kann eine schnellere Scangeschwindigkeit oder mechanische Reaktionszeit zum Neulokalisieren der Bildzone 450 bereitstellen. Unter Verwendung moderner optischer Designsimulationssoftware und/oder Strahlenverfolgungsprogrammen können verschiedene Konfigurationen für ein derartiges System von einem Durchschnittsfachmann für optisches Design umgesetzt werden.
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Die Bildzone 450 weist eine Form auf, die durch eine verhältnismäßig schmale Bilddimension δZ entlang einer Achsrichtung Z der Bohrung und eine verhältnismäßig verlängerte Bilddimension δϕ entlang einer Richtung, die quer zu der Achsrichtung Z der Bohrung ist, gekennzeichnet ist. In der in 4 gezeigten Ausführungsform ist die erste Richtung ungefähr entlang der Achsrichtung Z und die zweite Richtung ist ungefähr entlang der Richtung, die der ϕ-Koordinatenachse entspricht. Die Eingabeenden 432 sind in einer Eingabeform konfiguriert, die ungefähr auf eine Form der Bildzone 450 abgebildet wird. Die Eingabeform ist in der dargestellten Ausführungsform ein Ring, der von der Linsenanordnung 490 abgebildet wird.
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Es ist zu verstehen, dass die Linsenanordnung
490 in
4 reflektierend ist. Andere Arten von Panoramalinsen, die für eine Bohrungsabbildungsanordnung geeignet sind, wie eine refraktive Fischaugenlinse, lassen sich aus dem
US-Patent Nr. 8,334,971 verstehen, das durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen wird.
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In einigen Ausführungsformen können die Linsenanordnung 490 und die Abbildungsoptik 435 eine Vergrößerung von –0,5 bereitstellen. Die Relaislinse 425 kann eine Vergrößerung von –0,9 haben. Für Bohrungsinspektionsvorgänge mit einer 40-μm-Abtastungsauflösung in der Bildzone 450 können die Lichtleitfasern 431 eine Kerngröße von 20 μm haben. Für eine Inspektion einer typischen Bohrung mit einem Durchmesser von 80 mm kann das Bildgeometrie umwandelnde Faserbündel 430 eine Breite von 40 mm nahe den Eingabeenden 432 haben. In der in 4 gezeigten Ausführungsform sind die Eingabeenden 432 in einer Kreisform angeordnet, die der Achsrichtung Z zugewandt ist.
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Für eine Bohrung mit einem Hubwert von 160 mm, einer Eingabedimension δZ in der Achsrichtung Z von 0,04 mm und einer Abbildungsrate von 1250 Einzelbildern pro Sekunde kann das Bohrungsabbildungssystem 400 dazu in der Lage sein, die Motorbohrung in 3,2 s zu scannen.
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5A ist ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform der Ausgabeenden eines Bildgeometrie umwandelnden Faserbündels für ein Bohrungsabbildungssystem 500 gemäß hierin offenbarten Prinzipien. 5A zeigt Ausgabeenden 533 von Lichtleitfasern 431 eines Geometrie umwandelnden Faserbündels 430, das dem Geometrie umwandelnden Faserbündel 130 oder dem Geometrie umwandelnden Faserbündel 430 ähnlich sein kann.
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5B ist ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform eines ausgelesenen Satzes von Pixeln 511 für das Bohrungsabbildungssystem 500 gemäß hierin offenbarten Prinzipien. 5B zeigt einen Teil eines Fotodetektors 510, der dem Fotodetektor 110 oder dem Fotodetektor 410 ähnlich sein kann und der einen ausgelesenen Satz von Pixeln 511 umfasst.
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Wie in den 5A und 5B gezeigt, sind die Ausgabeenden 533 des Bildgeometrie umwandelnden Faserbündels 530 in einer Ausgabeform AF angeordnet, die auf den ausgelesenen Satz von Pixeln 511 abgebildet wird. Die Ausgabeenden 533 sind zweckmäßig in einer eng gepackten Anordnung der einzelnen Fasern 531 angeordnet, obwohl diese Anordnung nur beispielhaft und nicht einschränkend ist. Die Ausgangsform AF umfasst folglich eng gepackte Fasern, die innerhalb einer rechteckigen Form oder eines rechteckigen Umrisses eingedämmt sind. Der ausgelesene Satz von Pixeln 511 umfasst außerdem eine rechteckige Form, die mit der Ausgabeform AF übereinstimmt.
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Man sollte zu schätzen wissen, dass die Ausgabeenden 533 in 5A der Einfachheit halber als eine kleine 12×14-Gruppe gezeigt sind. Diese kleine Gruppe kann so verstanden werden, dass sie ein eng gepacktes Bündel repräsentiert, das eine größere Anzahl von Lichtleitfasern umfasst, die entsprechend der Form eines ausgelesenen Satzes von Pixeln angeordnet und eingedämmt sind, gemäß den oben umrissenen Prinzipien. Auf ähnliche Weise ist der ausgelesene Satz von Pixeln 511 in 5B der Einfachheit halber als eine kleine 24×24-Pixel-Gruppe gezeigt. Diese kleine Gruppe kann so verstanden werden, dass sie eine größere Anzahl von Pixeln repräsentiert. Ein typischeres Array für ein Bohrungsabbildungssystem, das gemäß den hierin beschriebenen Prinzipien konfiguriert ist, wäre größer, um eine hochauflösende Abbildung in Messtechnikqualität bereitzustellen, aber weniger Pixeln haben würde, als in den meisten nicht maßgeschneiderten Fotodetektoren vorgefunden werden. Der ausgelesene Satz von Pixeln 511 kann beispielsweise eine 224×160-Pixel-Region eines größeren Pixelarrays sein, die beispielsweise von einem CCD bereitgestellt wird, wie einem Bildsensor KAI-0340 von Kodak, der in einem Teilscan-Betriebsmodus mit hoher Bildfrequenz arbeitet, um nur den ausgelesenen Satz von Pixeln auszulesen. Dieses Beispiel ist jedoch nur beispielhaft und nicht einschränkend. In anderen Ausführungsformen kann der ausgelesene Satz von Pixeln alle Pixel eines geeigneten Fotodetektors umfassen, der dazu ausgewählt oder entworfen ist, die gewünschte Auflösung und Ausleserate bereitzustellen.
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In der in den 5A und 5B gezeigten Ausführungsform hat jedes Ausgabeende 533 eine Mindestdimension w1, die mindestens das 2-fache eines Mitte-zu-Mitte-Abstands w2 der Pixel in dem ausgelesenen Satz von Pixeln 511 beträgt. Somit entspricht jede Faser 531 ungefähr vier Pixeln. In einigen Ausführungsformen kann eine Faser auf noch mehr Pixel abgebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Faser beispielsweise auf bis zu sechs Pixel abgebildet werden. Dies kann in einigen Ausführungsformen als ein einfaches Mittel vorteilhaft sein, um sicherzustellen, dass mindestens ein Pixel die Bildintensität, die von einer Einzelfaser übermittelt wird, genau ohne Nebensprechen von benachbarten Fasern abtastet.
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Obwohl verschiedene Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, werden einem Fachmann zahlreiche Variationen in den dargestellten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Sequenzen von Arbeitsvorgängen auf der Basis dieser Offenbarung offensichtlich sein. Man wird somit zu schätzen wissen, dass verschiedene Änderungen darin vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4849626 [0002, 0015]
- US 7636204 [0002]
- US 8334971 [0002, 0031]
- US 8570505 [0002]
- US 6587189 [0023]
