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Die
visuelle Inspektion von gekrümmten Oberflächen, wie
Bohrungen, Rohren oder sonstigen Hohlräumen ist in vielen Fällen eine
notwendige Aufgabe zur Gewährleistung
ordnungsgemäßer Funktionalität von technischen
Einrichtungen. Die Erfindung betrifft ein solches Verfahren.
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Durch
die beschränkte
Zugänglichkeit
des angesprochenen Hohlraums und seiner Oberfläche sind dabei besondere Maßnahmen
zur optischen Abbildung nötig,
so zum Beispiel spezielle Beleuchtungseinrichtungen und Sonderoptiken.
Bei kleinen und kleinsten Bohrungen kommen Endoskope oder Boreskope
kleinster Bauformen zum Einsatz. Beispiele solcher Endoskope finden
sich in DE-U 78 19 433 (Wolf) oder in dem Artikel "Panoramic Holocamera
for Tube Borehole Inspection",
SPIE Vol. 699, Laser and Optoelectronic Technology in Industry,
Seiten 127 bis 131, 1996 (P. Greguss).
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Bei
der automatischen, visuellen Inspektion von solchen kleinen Bohrungen
stellt sich bereits die optische Abbildung zur geeigneten Bilderfassung
als ernsthafte Schwierigkeit dar. Bohrungen in technischen Geräten oder
Werkstücken
weisen im Gegensatz zur einfachen Zylinderform im allgemeinen komplexere
Gestalten auf, so sind die Innenräume meist mit Seitenbohrungen,
Absätzen,
Nuten versehen, die ebenfalls automatisch geprüft werden müssen. Um eine solche Prüfung durchführen zu
können,
sind meist unterschiedliche Beleuchtungen oder unterschiedliche
Blickwinkel erforderlich, da man spezifische Gestaltungen in den
Innenräumen
nicht nur aus einem Blickwinkel oder mit nur einer einzigen Beleuchtung
aus einem Blickwinkel visuell inspizieren oder prüfen kann.
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Hier
erreichen derzeitige Systeme oft keine ausreichende Prüfleistung
oder bieten keine hinreichende Basis für eine visuelle Inspektion.
Es werden vielmehr aufwendige mehrfache Erfassungen der Oberfläche des
Hohlraums mit unterschiedlichen Abbildungsoptiken oder mit unterschiedlichen
Beleuchtungsanordnungen erforderlich sein, was widersprüchliche Abbildungsbedingungen
schafft, die später
schwer zu vereinheitlichen sind. Spezielle Abbildungsoptiken sind
zum Beispiel ein starres Endoskop mit Seitblick (oder Seitenblick),
vgl. "Endoskopie-Einsatz
in der Fertigung und Instandhaltung", Lehrgang der Technischen Akademie
Esslingen, Mai 1991 (M. Steiner), eröffnen aber nur eine bestimmte Perspektive
des Blicks auf einen Hohlraum und erfordert die komplexe Ansteuerung
in axialen und umfänglichen
Koordinaten, um so die innenliegenden Oberflächen der Bohrung durch Vorschub-
und Drehbewegung fortlaufend auf einem Videoschirm darstellen und
inspizieren zu können.
Das von einem solchen, in seinem Blick begrenzten Endoskop gelieferte
Bild ist zwar inspizierbar, erfordert aber einen erheblichen steuerungstechnischen
Aufwand und ist zeitlich höchst
aufwendig. Nimmt man hier ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Automobilindustrie mit
dort derzeit etwa 40 Millionen gefertigten Hydraulikzylindern pro
Jahr, deren Bohrungen zum Zwecke der Qualitätssicherung zu 100 % geprüft werden
sollen, so lässt
sich erkennen, dass eine solche Prüfung mit einem solchen Endoskop
nicht mehr zeitsparend und effizient vorgenommen werden kann.
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Aus
der
US 5,543,972 A (Kameweda)
ist eine an einem Seil hängende
Spiegeleinrichtung für eine
Bohrloch-Innenbetrachtung bekannt, welches in der Erde angeordnet
ist. Nach dortiger Spalte 8, Zeilen 22 bis 40 wird die Sonde abwärts bewegt
und werden Bilder abgebildet, welche eine Vielzahl von an Linien
orientierten Quadraten darstellen (vgl. Spalte 9, Zeile 39). Diese
Linien werden in Richtung von Reihen entsprechend der Bewegung der
Sonde angeordnet, so dass ein quasikontinuierliches Bild abgebildet
werden kann. Mit der Abwärtsbewegung der
Sonde, vgl. Spalte 13, Zeilen 14 bis 27 kann die Bohrwand des Bohrloches
linear gescannt werden und eine Abspeicherung der fotografierten
Bilder findet statt. Geologische Phänomene können so am Bohrloch entlang
betrachtet werden. Auch dort findet sich mithin eine gekrümmte Oberfläche eines
Hohlraums, aber eines solchen Hohlraums, der ein Bohrloch im Erdreich
darstellt. Bei dieser Art der Bohrloch-Erkennung wird auch mit einer
Aufzeichnungs-Einrichtung
gearbeitet, vgl. dort
11 mit dortiger
12 und hinsichtlich des Abwärtsbewegens
der Sonde die dortige
10. Die abwärts bewegte
Sonde findet sich in dortiger
6 mit
einem umlaufenden Fenster
31, welches eine umfängliche Betrachtung
der Oberfläche
des geologischen Bohrlochs ermöglicht.
Umfänglich
orientierte Einzelbilder können
damit aufgezeichnet werden und mittels einer Umrechung von einzelnen
Pixeln (als Felder), die in dortiger
11 benannt
sind, in eine ebene Darstellung überführt werden.
In vertikaler Richtung findet sich das Tiefensignal des Sensors
(dort Tiefensensor
52), welches der z-Richtung in Zylinderkoordinaten
entspricht. Auch erwähnt
ist dort, dass die Sonde in ihrer z-Bewegung angehalten werden kann,
vgl. dort Spalte 9, Zeile 11 bis 20, und an der Halteposition durch
Variieren des Radius einer umfänglichen Linie
Resultate erhalten werden können,
ohne die Sonde bewegen zu müssen.
Trotz dieser scheinbar umfangreichen Innenwandbetrachtung eines
Erdlochs als Bohrloch bleiben bei Bohrungen in Werkstücken, die
komplexe Geometrien aufweisen können, Aufgaben
zu lösen,
welche die beschriebene abgeseilte Sonde in
US 5,543,972 nicht darzustellen und abzubilden
vermag.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Oberflächendarstellung einer gekrümmten Oberfläche in einer
für eine
schnelle visuelle Prüfung
geeigneten Weise zu ermöglichen,
dabei auch schnell und sicher die gesamte Oberfläche oder Bereiche der Oberfläche optisch
darzustellen.
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Gelöst wird
das gemäß der Erfindung
mit dem Verfahren gemäß Anspruch
1. Die abhängigen Ansprüche erfassen
vorteilhafte Ausbildungen. Auf sie wird verwiesen.
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Gemäß der Erfindung
wird es möglich,
jede Blickrichtung und jedes Blickfeld (Blickfenster) in dem Hohlraum
in einer ebenen Darstellung darzustellen und die Steuerung des darzustellenden
Bereiches nicht durch Rotation der Abbildungseinrichtung in dem
Hohlraum erst ermöglichen
zu müssen,
sondern durch spezielle Transformationen von bestimmten Bereichen
des Bildes, das die im Blickfeld umfänglich orientierte Aufzeichnungseinrichtung
in einer oder in mehreren nacheinander angefahrenen axialen Positionen
als flächiges
Bild liefert.
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Hinter
der Erfindung steht die Überlegung, dass
Rundumblick-Endoskope
für die
Video-Endoskopie zwar wenig geeignet sind, da der menschliche Prüfer als
Betrachter sich nur schwer auf die ungewohnte Tunnelperspektive
einstellen kann, diese Endoskope aber bei einer Automatisierung
gemäß der Erfindung
einen Geschwindigkeitsvorteil haben, da die mechanische Drehung
des Werkstücks
oder des Endoskops entbehrlich ist. Zur Abtastung der Oberfläche des
Hohlraums reicht ein Eintauchen des Endoskops in diesen Hohlraum
aus, und die Mechanik zur Steuerung des Endoskops oder zur Bewegung des
zu prüfenden
Werkstücks
mit seinem Hohlraum kann vereinfacht werden, wodurch sich der gesamte Prüfablauf
oder die gesamte visuelle Inspektion stark verkürzen lässt.
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Anschaulich
gemacht geht es um die Darstellung der Oberfläche des Hohlraums in einer
ebenen Darstellung, die der visuellen Inspektion durch einen Prüfer näherliegt,
als die visuelle Inspektion eines aus der Tunnelperspektive aufgezeichneten
Endoskop-Bildes (Anspruch 3). Mit der Erfindung wird quasi eine
Abwicklung des Innenraumes erreicht, der trotz seiner Krümmung erfindungsgemäß in einer ebenen
(planen) und kartesischen Darstellung abgewickelt dargestellt werden
kann. Bei bekannter Geometrie des untersuchten Hohlraums kann durch
die erfindungsgemäß angewählten axialen
Positionen in z-Richtung – bei
Annahme von Zylinderkoordinaten zur Steuerung – und bei bekannten Abbildungseigenschaften
der zur Aufzeichnung verwendeten Optik das Korrespondenzproblem
gelöst
werden, das die Abwicklung des gekrümmten Hohlraums als Darstellungsproblem
bietet.
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Es
kann also eine Zuordnung von korrespondierenden Punkten an den verschiedenen
Abbildern derselben inneren Oberfläche in Form einer Koordinatentransformation
angegeben werden, obwohl die Optik für den menschlichen Betrachter
stark verzerrend wirkt, obwohl der Hohlraum keineswegs nur zylindrisch
verläuft
und obwohl die Tunnelperspektive eine visuelle Inspektion stark
erschwert.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann sowohl die gesamte Oberfläche
eines Hohlraums in kartesischen Koordinaten eben und abgewickelt
dargestellt werden, ebenso können
aber auch mehrere nicht zusammenhängende Teilbereiche der Oberfläche erfasst
und in gleicher Weise dargestellt werden, woraus sich die dynamische
Steuerbarkeit des Blickfensters (Blickfeldes) oder die Blickrichtung
auf einen bestimmten Oberflächenbereich
ergibt.
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Ungeachtet
der umfänglich
orientierten Blickrichtung der Aufzeichnungseinrichtung können auch
umfängliche
Segmente der Hohlraumoberfläche
dargestellt werden, es können
Streifenbereiche dargestellt werden und es können Seitenbohrungen, Absätze, Nuten
und sogar quer zur Achse verlaufende Stirnflächen von Nuten oder Seitenbohrungen spezifisch
gesteuert in einer ebenen Abwicklung dargestellt werden. Die Erfindung
vermag die Darstellung der Oberflächen in ihrem Ausmaß und in
ihrer Blickrichtung zu steuern, ohne dass es dazu einer gleichzeitigen
Steuerung der Aufzeichnungsvorrichtung bedarf, die die innere Oberfläche des
Hohlraums abtastet.
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Die
geeignete Darstellung kann in möglichst kurzer
Zeit und mit möglichst
wenigen Stellgrößen der
Handhabungseinrichtung, insbesondere bei Minimieren der mechanischen
Bewegung, erreicht werden. Unabhängig
von der Optik können
auch bei preisgünstigen
Optiken mit Rundumblick abgewickelte Darstellungen erzeugt werden.
Verschiedene Blickwinkel und Blickfelder können durch die Steuermöglichkeit
frei vorgegeben werden.
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Besonders
vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Möglichkeit, die abgewickelte
Oberfläche
ohne Verzerrungen darzustellen (Anspruch 12), wobei die Erfindung
nicht auf die Darstellung der Oberflächen von Hohlräumen beschränkt ist,
sondern auch in der Lage ist, ebene Flächen, die mit einer optisch
weit reichenden, aber verzerrenden Optik erfasst werden, in einer
unverzerrten Darstellung kartesisch wiederzugeben.
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Die
unterschiedlichen (anderen) Blickwinkel oder die unterschiedlichen
Beleuchtungsanordnungen, die durch eine ebenfalls im Hohlraum angeordnete
Erhellungseinrichtung möglich
werden, erlauben eine Vielzahl von Darstellungen ein und derselben
Stelle oder ein und desselben Bereiches der Hohlraumoberfläche, so
dass eine umfassende Inspektion oder Prüfung möglich ist. Anschaulich gesprochen,
ist nicht allein die Abbildung eines Fehlers im Hohlraum Basis einer
visuellen Inspektion oder Prüfung,
oft ist es für
die eindeutige Identifizierung eines Fehlers notwendig, einen bestimmten
Bereich aus mehreren Blickwinkeln und unter mehreren verschiedenen
Beleuchtungen mit unterschiedlichem Schattenwurf kartesisch dargestellt
zu betrachten, um ein eindeutiges Untersuchungsergebnis zu erhalten.
Angesprochen werden soll hierbei auch die Möglichkeit, aus mehreren solchen
Darstellungen ein dreidimensionales Bild an einem Sichtschirm zu
erzeugen, so dass es trotz widriger Umstände der Tunnelperspektive,
der verzerrenden Abbildungsoptik und des komplexen Korrespondenzproblems
möglich
wird, die Abbildung der Oberfläche
als 3D-Darstellung an einem Bildschirm wiederzugeben.
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Die
Erfindung arbeitet mit den physikalischen Grundlagen der Optik (der
optischen Abbildung, optoelektronischer Bildwandler) sowie mit Methoden
der digitalen Signalverarbeitung, wobei folgende Eigenschaften gesondert
hervorzuheben wären.
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Ausgehend
von einem gegebenen Zugang des Hohlraums und der Betrachterposition
werden unterschiedliche Ansichten der Hohlraumoberfläche, z.
B. unter verschiedenen Betrachtungswinkeln oder Beleuchtungssituationen
möglich.
Die dadurch erweiterten Möglichkeiten
der Blickrichtungssteuerung, die dynamisiert und nach der eigentlichen
Erfassung durch die Optik erfolgt, können Oberflächen in Hohlräumen mit
einer einzigen Aufzeichnungseinrichtung und einer einzigen Abbildungsoptik
erfasst werden.
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Mit
derselben einzigen Abbildungseinrichtung können unterschiedliche Erscheinungen
(unterschiedliche Fehlertypen) der Oberfläche geeignet für eine automatische
Fehlerdetektion abgebildet werden, so durch die erwähnten unterschiedlichen
Blickwinkel bzw. Beleuchtungssituationen, die quasi gleichzeitig
möglich
sind. Dennoch vereinfacht sich der Aufwand zur Handhabung, sprich
der mechanischen Relativpositionierung von Werkstück gegenüber Abbildungsoptik
bzw. Abbildungsoptik gegenüber dem
Hohlraum bzw. der ebenen Fläche,
die visuell zu inspizieren ist. Eine verbesserte Bildqualität und eine verbesserte
Präsentationsmöglichkeit
wird mit der Sensoranordnung möglich.
Die eingangs erwähnten widersprüchlichen
Abbildungsbedingungen durch Verwendung unterschiedlicher Abbildungsoptiken, von
denen jeweils eine an einen bestimmten Zweck besonders angepasst
ist, können
vermieden werden, so dass auch eine kostengünstige Gesamtlösung zur Verfügung steht,
deren Gesamtsteuerung der Darstellung durch die Auswahl und Transformation
der abgebildeten Tunnelperspektiven-Aufzeichnungen erreicht werden kann.
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Befinden
sich in dem Primär-Blickfeld,
das die optische Abtastvorrichtung aufgrund ihres Aufbaus bestimmt,
mehrere Zonen oder Bereiche des Innenraums, die gesondert und nebeneinander
zu überprüfen sind,
so können
diese jeweiligen Bereiche aus dem einen Abbild, das die Abbildungsvorrichtung
liefert, nahezu zeitgleich in eine ebene, kartesische Darstellung überführt werden,
ohne dass die Aufzeichnungsvorrichtung relativ zu dem Hohlraum bewegt
zu werden braucht, weder in Axialrichtung, noch in einer umfänglich orientierten
Richtung. Bei einer angenommenen Ringnut ist ein Blick auf die vordere
und hintere Flanke sowie den Grund der Ringnut gleichzeitig möglich, und
zeitgleich kann auch ein weiterer Abschnitt des Hohlraums betrachtet
werden, sogar das Stirnende des Hohlraums, wenn eine Abbildungsoptik
mit einem Primär-Blickfeld
verwendet wird, das einem "Fischauge" entspricht.
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Die
Erfindung(en) werden nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
erläutert
und ergänzt.
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1 ist
eine schematische Darstellung des mechanischen Aufbaus, mit dem
ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens
erläutert
werden soll.
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2 ist
eine Ausschnittsvergrößerung aus 1,
die speziell den vorderen Bereich der Aufzeichnungsvorrichtung als
eine stabförmige
Endoskopvorrichtung E verdeutlicht, mit einem Primär-Blickfenster alpha
und zwei Innenraumsegmente a,b, die darzustellen sind.
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2a, 2b, 2c sind
Darstellungen, die mit der Abbildungsoptik von 2 erhalten
werden, namentlich die 2c als ein in Tunnelperspektive
gehaltenes Einzelbild 20, das nach Transformation Tr1,
Tr2 von unterschiedlichen ringförmigen
Bereichen a', b', die denjenigen
Stellen a, b der 2 entsprechen, eine ebene, kartesische
Darstellung in den 2a, 2b ermöglicht.
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3a, 3b sind
zwei Aufzeichnungsvorrichtungen mit stabförmigem Schaft E und einer Abbildungsoptik
im Frontbereich, die unterschiedliche Primär-Blickfelder aufweist, die
mit dem Winkel alpha dargestellt sind. 3a ist
dabei eine Fischaugen-Optik mit einem Blickwinkel von alpha = 90°, der sich
zu einem nahezu 180°-Bildbereich
rotationssymmetrisch ergänzt,
während 3b ein
Primär-Blickfenster
von seitlich zur Achse 100 orientierten 25° als ringförmiges Fenster
hat.
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1 veranschaulicht
einen Ausschnitt aus dem Prüfobjekt
P, in das eine komplexe Bohrung als Hohlraum H eingebracht ist.
Der Hohlraum H besteht zusätzlich
aus zwei Ringnuten N1, N2, die axial beabstandet und mit unterschiedlicher
geometrischer Form versehen sind, und hat zwei Seitenbohrungen S1,
S2 und einen Einführungsbereich
G, der im zylindrischen Durchmesser geringer ist, als der Haupt-Hohlraum
H. Im rechten Bereich ist die Aufzeichnungsvorrichtung gezeigt,
deren optischer Sensor S von einer stabförmigen Endoskopvorrichtung
E gespeist wird, die im vorderen Bereich ein Blickfeld hat, das
in 2 näher
erläutert
werden wird. Nahe am stirnseitigen Ende der Abbildungsoptik E sind – insbesondere
ringförmig
angeordnete – Beleuchtungsvorrichtungen
B vorgesehen, die aus direkten Lichtquellen oder Glasfasern bestehen
können,
die Licht von einer externen Lichtquelle in den Hohlraum einbringen.
Das im Beispiel verwendete Endoskop hat einen Durchmesser von 10
mm und eine Länge von
150 mm. Am Okular des Endoskops ist der Bildwandler D vorgesehen,
der aus dem Sensor als CCD-Kamerachip ein gemäß CCIR-Videonorm aufgezeichnetes
Bild ausliest und über
eine Bilddatenleitung bd einem Rechnersystem VR zur Verfügung stellt.
Der Sensor S ist als Flächenkamera
ausgebildet, erlaubt also die gleichzeitige Aufzeichnung und das
sequentielle Auslesen eines gesamten flächigen Bereiches, das ein elektrisches
Signal gemäß den Abbildungseigenschaften
der Optik E von dem gerade im Primär-Blickfeld liegenden Hohlraumausschnitt über die
Bilddatenleitung bd abgibt. Dieses Signal wird zur elektronischen
Signalverarbeitungseinheit VR in Form eines Rechners für die weitere
Verarbeitung zugeleitet, wo es zunächst in einem Bildspeicher zwischengespeichert
wird. Das ebenfalls dargestellte Handhabungssystem VH steuert die
Bewegung der Aufzeichnungsvorrichtung E, S in z-Richtung, so daß die relative
Position der Optik gegenüber
dem Hohlraum H sowohl vorgegeben gesteuert werden kann, als auch
zuvor eingestellt und als Positionsdaten-Meßwert der Signalverarbeitungseinheit
VR über eine
Datenleitung pd verfügbar
gemacht werden kann. Diese Verbindung pd ist bidirektional und erlaubt
die Vorgabe von Positionsdaten und die Rückmeldung von eingestellten
Positionsdaten in z-Richtung. Ebenso, wie die optische Aufzeichnungsvorrichtung
E, S in Achsrichtung 100 axial verfahren werden kann, könnte auch
das Prüfobjekt
P relativ zu einer feststehenden optischen Aufzeichnungsvorrichtung
axial verfahren werden.
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Aufgrund
der bidirektionalen Datenleitung pd und der Videoleitung bd verfügt die Signalverarbeitungseinheit über die
axiale(n) Position(en) als auch über
das aktuell aufgezeichnete Bild und kann ein Einzelbild 20 gemäß 2c erstellen,
das an einer vorgegebenen (oder bekannten) axialen Position z1 von
einem umfänglich
orientierten Abschnitt des Hohlraums H stammt. Weitere Einzelbilder 21, 22, 23 sind
nicht dargestellt, entsprechen aber sinngemäß weiteren axialen Positionen
z2, z3, ..., die sich aus der folgenden Beschreibung näher erschließen.
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Zuvor
soll ein Wort noch über
die Beleuchtungsanordnung B bzw. in 2 die Lichtquelle
L verloren werden, die im Hohlraum H für die notwendige Helligkeit
sorgt. Die Beleuchtung B kann zum Beispiel erzeugt werden durch
gemeinsam oder getrennt mit der Aufzeichnungsvorrichtung S, E in
den Hohlraum H eingebrachte Lichtquellen. Zusätzlich kann ein Diffusor vorgesehen
sein, der am Objektiv des Endoskopes E angebracht ist und durch
ein lichtleitendes Glasfaserbündel
mit dem Licht einer externen Lichtquelle L gespeist wird, wie in 2 dargestellt.
Die mechanische Kopplung zwischen dem Lichtaustritt B und dem Endoskop
E kann festliegen, es ist aber ebenso möglich, daß der Lichtaustritt B relativ
zum Endoskop E veränderbar
ist, um unterschiedliche Beleuchtungen von spezifischen Bereichen
der Oberfläche
des Hohlraums H zu ermöglichen.
Ebenso könnte
das Endoskop E selbst Licht in den Hohlraum abgeben, das von einer äußeren Lichtquelle
L in den Strahlengang der Abbildungsoptik mittels Strahlteiler eingekoppelt
wird und im Hohlraum aus der Abbildungsoptik am stirnseiten Ende
austritt.
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Die
Signalverarbeitungseinheit VR beinhaltet – grob gesprochen – Einrichtungen
und entsprechende Programmierung zur Speicherung der von der Aufzeichnungseinrichtung
E, S abgegebenen Bildsignale, auch mehreren solchen Einzelbildern,
Einrichtungen zur Extraktion von Teilbildern aus den Einzelbildern
und zur Transformation von Teilbildern und schließlich solche
Einrichtungen und Programmierungen, um die transformierten Teilbilder
zu einem neuen Bildsignal, zum Beispiel einem BAS-Bildverarbeitungssignal
zusammenzufügen.
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Nach
Einführen
des Endoskopes E, S in die Öffnung
G des Hohlraums H, was im beschriebenen Fall durch eine lineare
Bewegung z über
die Handhabungseinrichtung VH geschieht, stehen Einzelbilder als
Primärbilder
zur Verfügung.
Mehrere dieser Primärbilder
können
als kontinuierliche Folge von abgebildeten Hohlraumoberflächen an
die Signalverarbeitungseinheit VR geliefert werden, wobei jedes
der mehreren Primärbilder
so gestaltet ist, wie die 2c als
Primärbild 20 in
Tunnelperspektive zeigt. Der Bildwandler D liefert dabei das Signal
in Form einer kontinuierlichen Folge von Bildern der abgebildeten Hohlraumoberfläche, und
dieses Signal (der Bildinhalt) verändert sich mit der Relativposition
z von Endoskop E und Hohlraum H bzw. Prüfobjekt P. Die Erfassung eines
relevanten Anteils oder der gesamten Hohlraumoberfläche erfolgt
durch Aufnahme und Speicherung mehrerer Einzelbilder des Bildwandlers D
und nachfolgender Verarbeitung der Einzelbilder in der Signalverarbeitungseinheit
VR. Die Signale der CCD-Kamera
D, S werden über
einen A/D-Wandler digitalisiert und in digitaler Form zunächst gespeichert
und dann weiterverarbeitet. Die von der CCD-Kamera D, S aufgenommenen
Bilder über
die Bilddatenleitung bd, entsprechend 2c, erscheinen
als radiale Strukturen einer Bohrung als (konzentrische) Kreisringe,
die aber nur in der 2c veranschaulichend dargestellt
sind, tatsächlich
als kontinuierliches Bild ohne Ringstruktur erscheinen.
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Zur
Erfassung der zylindrischen Oberfläche im Hohlraum wird daher
aus jedem Bild 20 ein Kreisring a' oder b' extrahiert, der den Bereichen a und
b in 2 entspricht, einmal als Abschnitt des zylindrischen
Hohlraums und einmal als rückwärtige Flanke der
Ringnut N2. Jeder ausgewählte
Bereich a' und b' wird in weitere
Kreissegmente oder Ringsegmente zerlegt und über eine Transformation Tr1,
Tr2 transformiert, die als Polarkoordinaten-Transformation ausgestaltet sein kann,
um den Kreisring in ein Rechteck umzuformen. Ist der Kreisring schmal
genug, genügt
eine Transformation Tr1, ist er breiter und eine entsprechend breite
Abbildung als breiter axialer Streifen a des Hohlraums H gewünscht, so werden
mehrere Kreise nacheinander transformiert und in Rechteckform neu
zusammengesetzt, zur Darstellung der 2a oder
bei dem Kreisring b' zur Darstellung
in 2b. In der kartesischen Darstellung der 2a, 2b ist
die Abwicklung der Hohlraumoberfläche in phi-Richtung in x-Richtung
aufgetragen und in y-Richtung die Koordinate z, die der axialen
Position entspricht. Alle Bilder 20, die derart umgeformt
wurden, werden entlang der z-Achse zu einem Gesamtbild der Oberfläche zusammengefügt, wenn
erwünscht
ist, die gesamte Oberfläche
darzustellen, was in den 2a, 2b, 2c aber
nur insoweit geschehen ist, als ein bestimmter Abschnitt a darzustellen
war, der dazuhin in eine Vielzahl weitere kleinere Kreisringe zur
Transformation Tr1 aufgeteilt wurde. Die Auflösung wird insoweit von der CCD-Kamera
D, S vorgegeben, deren Zeilenauflösung auch maximal die Ringauflösung der 2c sein
kann.
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Eine
elektronische Blickrichtungssteuerung oder Blickfeldsteuerung erfolgt
durch Auswahl eines entsprechenden Radius für die Ermittlung des zu extrahierenden
Kreisringes oder eines bestimmten keilförmigen Segmentes aus diesem
Bereich des Einzelbildes 20. Entsprechend ergibt sich dabei
bei der skizzierten Abbildungseigenschaft des Endoskopes eine radialsymmetrische,
vorausschauende oder zurückblickende
Blickrichtung, wie mit den Endoskopen der 3a, 3b veranschaulicht
wird. Damit ermöglicht
die Sensoranordnung gleichzeitig den Blick senkrecht auf die Bohrungswandung
mit dem Blickfeld a und die hintere Flanke der Ringnut N2 mit dem Blickfeld
b.
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Für jede Blickrichtung
kann eine komplette oder teilweise Abbildung der Hohlraumoberfläche kartesisch
dargestellt werden, wobei die Darstellung in der abgewickelten Form
mit den Koordinaten z und phi erfolgt, obwohl als Zwischenstufe
ein Bild oder eine Bildfolge von mehreren Einzelbildern 20 in
einer Tunnelperspektive vorlag, die zusätzlich die Verzerrung durch
die Abbildungsoptik des Endoskopes E beinhaltete.
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Die
beschriebenen mehreren Einzelbilder, von denen eines als Bild 20 in 2c dargestellt
ist, das im angenommenen Fall an der Position z1 aufgezeichnet
wurde, dienen als Basis der Extraktion geeigneter Teilbilder a', b', die nach jeweiliger
Transformation Tr1, Tr2 kartesisch dargestellte Streifen von ebenen
Bildern ergeben, die zusammengesetzt ein ebenes, kartesisch orientiertes
und abgewickeltes Bild der Oberfläche des Hohlraums H ergeben.
Die Bestimmung der jeweiligen Position zi (i
= 1, 2, ... n), der Lage und der Form der extrahierten Teilbilder
a', b' in dem oder den
Bildern 20 sowie der Transformation Tri erfolgt
im Beispiel nach zwei Kriterien.
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Als
Ergebnis der Verarbeitungsoperation ergeben sich durch Aneinanderfügen der
transformierten Teilbilder a',
b' ein oder mehrere
lückenlose,
kontinuierliche Abbilder a, b der relevanten Hohlraumoberfläche von 2.
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Die
zusammengesetzten, lückenlosen
und kontinuierlichen Abbilder a, b der relevanten Hohlraumoberflächen haben
den oder die gewünschten Blickwinkel
oder Blickfelder (Blickfenster) oder beides.
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Bei
bekannter Geometrie des untersuchten Hohlraums kann durch bekannte
Positionen zi und die bekannten Abbildungseigenschaften
der Optik E das Korrespondenzproblem gelöst werden und eine Zuordnung
von korrespondierenden Punkten in den verschiedenen Abbildern a,
b derselben Oberfläche in
Form einer Koordinatentransformation, hier der Polarkoordinaten-Transformation, angegeben
werden.
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Im
dargestellten Beispiel ist die optische Aufzeichnungsvorrichtung
D, S, E sowie die Beleuchtungseinrichtung B auf einer schrittmotorgetriebenen Linearachse
z befestigt, so daß die
Bewegung der Linearachse das Endoskop E in den Hohlraum G, H des
Prüfobjektes
P gesteuert eingeführt
hat. Das in 2 dargestellte Primär-Blickfeld alpha entspricht einem
ringförmigen
Blickwinkel von etwa 120°,
wobei ein Winkelbereich von etwa 70° retrospektiv ist, also einen
Blick rückwärts vom
Frontende des Endoskopes E aus als Primär-Blickfeld abdeckt. Dieses
Blickfeld ist deutlich größer als
das in 3b dargestellte Retro-Blickfeld
alpha mit einem Winkel von etwa 25°, während die Fischaugen-Optik
der 3a ein nach vorne reichendes Blickfeld von etwa
180° hat,
mit dem auch das stirnseitige Ende des Hohlraums H abgebildet und
mit der zuvor beschriebenen Transformation anhand der 2c, 2b, 2a in
ein kartesisches Bild umgesetzt werden kann. Das kartesische Bild
ist praktisch unverzerrt und weist diejenigen Größenrelationen auf, die direkt
im Hohlraum gemessen werden könnten,
so daß eine
genaue Festlegung von radialen Positionen von lokalisierten Fehlerstellen
oder von axialen Tiefen solcher Fehlerstellen durch Ausmessen an
dem ermittelten Bild der 2a, 2b möglich ist,
ohne daß die
Handhabungseinrichtung VH als Schrittmotor in Verbindung mit einer
Drehung des Endoskopes E in phi-Richtung bei Segment-Blickfeld eine bestimmte
Fehlerstelle anfahren müßte und
erst dann, als Folge des Anfahrprozesses die genaue Position dieser
Fehlerstelle festläge.
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Die
maßstabgerechte
Abwicklung sowie die Verwendung als Kompensationsverfahren bei Verzerrung
durch die Optik und bei Anwendung direkt auf flächige, nicht hohlraumförmig gestaltete
Oberflächen
zeigt die Vielseitigkeit des beschriebenen Verfahrens auf, das nicht
nur die oben als Kombination beschriebenen und gemeinsam das Abbildungsergebnis
20 beeinflussenden Effekte aufzulösen vermag, sondern auch jedes
einzelne Abbildungsproblem jeweils individuell zu kompensieren vermag, wenn
es bei gewählter
Abbildungsoptik und bei gewählter
abzubildender Oberfläche
festgelegt ist.