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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Visualisierungsvorrichtung mit
Digitalkamera, mit einem miniaturisierten, flexiblen und ausrichtbaren
Kopf, vom endoskopischen Typ, zur Untersuchung der nicht-erreichbaren
Bereiche einer Einrichtung, insbesondere eines Kraftfahrzeugmotors.
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Heutzutage
wird die Untersuchung der Einrichtungen und des Motors eines Kraftfahrzeuges moderner
Bauart wegen der Kompaktheit des Motors selbst und des verringerten
Volumens des Motorraums unter der Fahrzeughaube erschwert. Dementsprechend
muss der Mechaniker bei bestimmten Pannen Nebenteile um den Motor
herum abbauen, um versteckte zu untersuchende Teile visuell zu erreichen.
Diese Abbauvorgänge
verlängern
die Zeit der Pannensuche, die in der dem Kunden berechneten Eingriffszeit
nicht enthalten ist.
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Eine
Lösung
zur Verringerung der Zeit zur Bestimmung einer Panne, also der nicht-berechneten
Eingriffszeit, besteht darin, es dem Mechaniker zu erlauben, die
ausgefallene Einrichtung direkt und sofort zu visualisieren, ohne
Abbau der Nebeneinrichtungen. Jedoch gibt es derzeit auf dem Gebiet des
Fahrzeugkundendienstes keine Direktsichtsysteme mit Miniaturkamera.
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Das
Dokument EP-A-0 421 893 beschreibt ein kompaktes und tragbares Endoskop,
welches verwendet wird, um von unerreichbaren Gegenständen Videobilder
zu liefern. Dieses Endoskop umfasst einen Steuermotor, der mit jedem
Paar Steuerkabeln verbunden ist, eine Schaltung zur Steuerung eines Lichtreglers,
der mit der Lampe und den Bildsensoren verbunden ist, eine mit dem
Bildsensor gekoppelte Bildmikroprozessorschaltung, welche das Videosignal
in das Abbildungsformat umwandelt, und eine Versorgungsbatterie.
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In
der unter FR 2775151 im Namen von Renault veröffentlichten französischen
Patentanmeldung ist eine Direktvisualisierungsvorrichtung mit Digitalkamera
vom CMOS-Typ (Complementary Metal Oxyde Semiconductor) beschrieben,
die in einem Hohlkörper
einer Lampe eingesetzt ist, welche einstückig mit einem flexiblen und
gelenkigen zylindrischen Schlauch mit geringem Durchmesser verbunden
ist, der an einem steifen Schaft befestigt ist, welcher eine Beleuchtungssteuerung
und eine Steuerung der Bewegung des die Kamera beherbergenden Kopfes umfasst
und andererseits einen Bildschirm, beispielsweise in LCD-Technologie (Liquid
Cristal Display).
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Ein
Problem stammt von der Tatsache, dass die Art des Zusammenbaus dieser
CMOS- oder CCD-(Charge Coupled Device)-Kamera es nicht erlaubt,
eine Lampe zu verwirklichen, deren Durchmesser geringer als 12 mm
ist, wegen der Größe der gedruckten
Karte, welche diesen Kameratyp bildet, deren Durchmesser an die
25 mm grenzt. In der Tat verwendet man aus Gründen der Kosten der Herstellung des
Videodiagnosewerkzeuges CCD- oder CMOS-Kameras auf einer gedruckten
Karte, auf welcher angeschlossen sind:
- – der eigentliche
CCD- oder CMOS-Bildsensor;
- – die
elektronische Schaltung zur Steuerung der zum Betrieb dieses Sensors
erforderlichen Zeitgeberphasen;
- – die
elektronische Schaltung zur Verarbeitung des Videosignals.
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Die 1 a und 1 b sind jeweils eine Frontansicht und eine
schematische Schnittansicht einer CCD- oder CMOS-Kamera vom gedruckten
Kartentyp mit, auf einer gedruckten Schaltung 10, einem CCD-
oder CMOS-Bildsensor 20, vor welchem ein Objektiv 30 gesetzt
wird, einer integrierten Schaltung 40 und wenigstens einem
Widerstand 50 und einem Kondensator 60. Bei dieser
Ausführungsform
liegt die Steuerschaltung in der integrierten Schaltung nahe beim
Sensor. Wenn man den CCD-Sensor von seiner raumgreifenden Verarbeitungselektronik trennt,
ist man weiterhin gezwungen, in der Nähe des Sensors gedruckte Steuerschaltungen
vorzusehen, was die Kosten der Visualisierungsvorrichtung erhöht. Die
Abmessungen der gedruckten Karte 10, mit einer Breite D1, sind oft groß und bestimmen den Enddurchmesser
des Lampenkopfes.
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Die
Beleuchtung kann, wie es in der vorher genannten Patentanmeldung
beschrieben ist, durch auf die Höhe
des CCD- oder CMOS-Sensors verlagerte Dioden oder Lampen erreicht
werden. Um die Probleme der Wärmeabfuhr
zu lösen,
sind Wärmebrücken vorgesehen.
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Eine
Lösung
für das
Problem des Enddurchmessers der Videolampe bestünde darin, den Sensor entfernt
von seiner elektronischen Verarbeitungsschaltung zu verlagern, wie
es in dem Patent
US 5 233 426 von
Matsushita Electric beschrieben ist, jedoch würden sich in diesem Fall mehrere
zusätzliche Probleme
stellen, insbesondere die Phase des Steuerungszeitgebers des CCD-Sensors
und der Versorgungsspannungsabfall auf der Höhe des CCD-Sensors. Um sie
zu lösen,
werden die Steuerungsschaltungen mit zusätzlichen gedruckten Schaltungen
hinter dem CCD-Sensor angeordnet, wobei Miniaturstecker auf der
Höhe des
endoskopischen Kopfes angeordnet werden. Diese Lösung ist aufwendig in der Verwirklichung,
erhöht
die Dicke des endoskopischen Kopfes und damit dessen Raumbedarf
und ist kostspielig.
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Das
Patent
US 5 389 968 von
Yugengaisha beschreibt eine CCD-Fernsehkamera, deren Kopf und Steuerungsschaltungen
von der Hauptverarbeitungsschaltung verlagert sind. Schaltungen
zur Erzeugung elektrischer Spannung, die zum Betrieb des CCD-Sensors
erforderlich sind, sind ebenfalls in die Nähe des Sensors verlagert, und
der Zeitgeber zur Steuerung der Ladungsübertragungen ist durch Kupplung über einen
Spannungswandler dem Versorgungskanal überlagert. Diese Lösung ist
platzaufwendig und kostspielig.
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Das
Ziel der Erfindung ist es, diesen verschiedenen Nachteilen abzuhelfen,
indem eine Vorrichtung vom Endoslcoptyp vorgeschlagen wird, mit einer
Digitalkamera kleiner Größe, wobei
die Gesamtkosten des Werkzeuges und dessen Instandhaltung beim Kundendienst
verringert sind.
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Hiefür ist Aufgabe
der Erfindung eine Visualisierungsvorrichtung mit Digitalkamera,
vom endoskopischen Typ, welche zum einen Teil aus einer digitalen
Miniaturkamera vom CCD- oder CMOS- oder CMOS-APS-Typ, die in einer
Lampe eingesetzt ist, und zum anderen Teil aus einem Bildschirm
zur Anzeige der von der Kamera erzeugten Bilder besteht, dadurch
gekennzeichnet, dass:
- – im hohlen Körper des
Kopfes der Lampe der Bildsensor der Kamera untergebracht ist;
- – im
nicht-leitenden Schaft der Lampe einerseits die Mittel zur elektronischen
Verarbeitung und zur Steuerung des Zeitgebers der digitalen Kamera und
andererseits die Mittel zur Beleuchtung der anzuzeigenden Szene
ausgelagert sind;
- – in
dem flexiblen, nicht-leitenden Schlauch, der den Kopf der Lampe
mit deren Schaft verbindet, die geschirmten elektrischen Kabel zur
Verbindung des Bildsensors und seiner Verarbeitungsmittel geschützt sind
sowie Mittel zur Führung
des durch Beleuchtungsmittel ausgesandten Lichtes zum Kopfe der
Lampe;
und dadurch, dass Mittel zum Ausgleichen der Phasen
des Zeitgebers des Bildsensors den Enden der elektrischen Verbindungskabel
zwischen dem Sensor und dessen Verarbeitungsmittel hinzugefügt sind, wobei
der Ausgleich der Phasen des Zeitgebers des Bildsensors durch passive
Bauteile vom kapazitiven oder induktiven Typ sichergestellt wird,
die über
Lötstellen
mit den Verbindungsbeinchen des Bildsensors verbunden sind.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung bestehen die Mittel zur Beleuchtung
des zu visualisierenden Feldes aus einer einzigen Glüh- oder Halogenlampe
oder eine Elektrolumineszenzdiode, die im Schaft der Lampe eingesetzt
und Mitteln zur Führung
des Lichtes zugeordnet ist, die aus einem optischen Faserbündel, beispielsweise
aus Plastik, gebildet sind.
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der Beschreibung
eines Ausführungsbeispieles
einer Visualisierungsvorrichtung offensichtlich, die durch die folgenden
Figuren veranschaulicht ist, bei denen es sich, abgesehen von den bereits
beschriebenen 1 a und 1 b, um:
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2 eine
Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Visualisierungsvorrichtung
mit Bildschirm;
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3 und 4 zwei
Ausführungsvarianten einer
Videokameralampe im schematischen Längsschnitt gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung;
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5 ein
Schema einer Kamera eines Kopfes einer Videolampe gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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6 eine
Längsschnittansicht
einer erfindungsgemäßen Visualisierungsvorrichtung
handelt.
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Die
mit denselben Bezugszeichen versehenen Elemente in den verschiedenen
Figuren erfüllen die
gleichen Funktionen mit den gleichen Ergebnissen.
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Die
Vorrichtung zur direkten Visualisierung mittels digitaler Miniaturkamera
vom endoskopischen Typ besteht einerseits aus einer Digitalkamera
vom CCD- oder CMOS- oder CMOS-APS (Active Pixel Sensor)-Typ, die
in eine Lampe 1 eingesetzt ist, und andererseits aus einem
Schirm 100 zur Visualisierung der von der Kamera erzeugten
Bilder, der beispielsweise vom Flüssigkristalltyp ist, wie es
die
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2 zeigt,
oder vom Kathodenröhrentyp. Sie
ist durch die Auslagerung des einzigen CCD- oder CMOS-Bildsensors
in den Lampenkopf 2 gekennzeichnet, wohingegen dessen Verarbeitungselektronik
sich im Schaft 4 befindet, wobei die Phasen des Zeitgebers
insbesondere durch passive Bauteile kompensiert werden müssen, vom
Kondensator- oder Selbstinduktionsspulentyp, die entweder in der Technik
der oberflächenmontierten
Bauelemente oder der Technik der diskreten Bauelemente verwirklicht
sind.
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Um
ein für
die Fahrzeugdiagnostik bestimmtes Videoendoskop zu verwirklichen,
muss es einerseits einen Kopf von minimaler Größe aufweisen, um leicht zwischen
den Motorteilen durchzukommen, und muss die Beleuchtung auf der
Höhe des
Lampenkopfs gelöst
sein.
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Die
für das
Problem der Minimalgröße des Kopfes 2 der
Videolampe 1 vorgeschlagene Lösung besteht darin, bei der
Digitalkamera die CCD- oder CMOS-Bildsensorschaltung 3 von
der gedruckten Schaltung 5, welche die elektronische Steuerschaltung
und die elektronische Schaltung zur Verarbeitung des Videosignals
aufweist, zu trennen, wie es 3 zeigt,
die ein Längsschnittschema
einer Digitalkamera gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Visualisierungsvorrichtung ist. Demnach sind der digitale Bildsensor 3 und
dessen Objektiv 6 im Kopf 2 angeordnet, wohingegen
die Verarbeitungselektronik im Schaft 4 der Vorrichtung
sitzt.
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Wegen
des vor den Schwarz-Weiß-
oder Farbbildsensor 3 gesetzten Kameraobjektivs 6 ist
der Außendurchmesser
D2 des Kopfes 2 leicht höher als derjenige
des Bildsensors, ist aber viel kleiner im Verhältnis zu den Ausdehnungen,
insbesondere der Breite D1 der gedruckten
Karte 5.
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Das
Objektiv, sei es gesteuert oder nicht, hat die Funktion, Bilder
des zu beobachtenden Feldes auf der empfindlichen Oberfläche des
CCD-Sensors zu bilden. Es kann vom „Pin hole"-Typ oder eine einfache Linse sein,
mit einer sehr geringen numerischen Apertur, um von der großen Tiefeschärfe zu profitieren.
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Die
Verbindungsbeinchen 7 der Bildsensorschaltung 3 sind
nicht mehr direkt auf die gedruckte Schaltung 5 gelötet, sondern
jedes ist mit Zinn an ein erstes Ende 8 eines elektrischen
Kabels 10 gelötet, dessen
zweites Ende 9 mit der gedruckten Schaltung der Elektronik
zur Videosignalverarbeitung verbunden ist, die im Schaft 4 der
Lampe angeordnet ist. Die Zinnlötstellen
sind mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet.
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Diese
elektrischen Kabel 10 müssen
einen geringen linearen Leistungswiderstand aufweisen, und deren
Maximallänge 1 zwischen
dem Kopf 2 und dem Schaft 4 der Vorrichtung muss
geringer als 30 cm für
Farbsensoren oder 60 cm für Schwarz-Weiß-Sensoren
sein, was für
eine Anwendung als Videolampe vom endoskopischen Typ völlig ausreichend
ist.
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Um
die Zeitgeberphasen zu kompensieren sind passive Bauteile 12 vom
kapazitiven oder induktiven Typ durch Löten mit den Verbindungsbeinchen 7 des
Bildsensors 3 verbunden. Um die Steifigkeit der Gesamtheit
dieser Verbindung sicherzustellen, sind dessen Verbindungsbeinchen
in ein Isolierharz 13 eingeformt, ausgenommen auf dessen
empfindlicher Siliziumoberfläche 14,
die durch eine Glasschicht 15 unter einem Edelgas eingeschlossen
ist, welches deren Oxidation vermeidet, und auf dem Objektiv.
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Bei
einer schematisch in der 4 dargestellten Variante sind
die Passivbauteile 12 vom kapazitiven oder induktiven Typ
auf einem flexibel-steifen Träger 16 angeschlossen,
auf welchen vorab die Bildsensorschaltung 3 gelötet wird.
Dieser flexibel-steife Träger 16 kann
an ein in einem Kevlar- oder Kapton-Band versenkten Elektrokabelbündel 17 angeschlossen
sein, als Ersatz für
ein Elektrokabel 10.
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Eine
solche Verwirklichung ist besonders gut an eine Herstellung in großen Stückzahlen
von Videoendoskopen bei geringen Kosten angepasst.
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Gemäß einem
veranschaulichenden Beispiel einer Digitalkamera, welche schematisch
in der 5 dargestellt ist, können die Passivbauteile zur Korrektur
der Zeitgeberphasen auf der gedruckten Karte 5 angeordnet
werden, die in dem Schaft 4 der Visualisierungsvorrichtung
sitzt. Diese Lösung
ist ebenso möglich,
da die Maximalstrecke der Verlagerung zwischen dem Bildsensor 3 und
den auf der gedruckten Karte 5 angeordneten elektronischen
Steuer- und Verarbeitungsschaltungen, also die Länge der Kabel, d.h. der umhüllten elektrischen
Verbindungsdrähte 10,
bei einem Farbsensor nahe 30 cm und bei einem Schwarz-Weiß-Sensor
nahe 60 cm liegt. Auf der gedruckten Schaltung sind Kondensatoren
C und Spulen L zur Kompensierung der Zeitgebersteuerungssignale
gelötet,
zur Erfassung und dem Lesen des Videosignals.
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Die
Kabellitze 10 zur Verbindung der Zeitgebersignale ist durch
eine metallische Umhüllung 18 elektromagnetisch
abgeschirmt, beispielsweise in geflochtener Form, die mit der elektrischen
Masse und/oder der mechanischen Masse des gedruckten Schaltkreises 5 und
des Bildsensors 3 verbunden ist.
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In
diesen Beispielen der elektrische Kabel verwendenden Kamera ist
es erforderlich, einfache mehradrige Kabel mit einem sehr geringen
linearen Leitungswiderstand in der Größenordnung von 0,002 Ohm pro
Meter zu verwenden, um die Probleme des Versorgungsspannungsabfalls
auf der Höhe
des CCD-Sensors zu vermeiden.
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Dies
bedeutet eine leichte Erhöhung
der Größe der verdrehten
Litze, welche den Bildsensor 3 mit der gedruckten Karte
verbindet.
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Bei
bestimmten Zeitgeberphasen des Bildsensors genügt die einfache Verbindung
der Elektrokabel mit geringem linearen Leitungswiderstand zwischen
dem Ver bindungsbeinchen des Sensors und der gedruckten Schaltung,
um einen guten Betrieb des Sensors sicherzustellen, insbesondere im
Falle eines monochromen Schwarz-Weiß-Sensors.
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Die 6 ist
ein vollständiges
Schema im Längsschnitt
der Lampe einer erfindungsgemäßen Visualisierungsvorrichtung,
mit einem steifen Kopf 2, der über einen flexiblen Schlauch 19,
dessen Durchmesser geringer als derjenige des Hohlkörpers des Kopfes
ist, mit einem Schaft 4 verbunden ist. Der flexible Schlauch 19 besteht
aus Plastik, um jedes Problem eines elektrischen Kurzschlusses während der Pannensuche
durch das Diagnosewerkzeug zu vermeiden, und der Schaft 4 besteht
aus einem steifen metallischen Rohr, um die Bedienung der Lampe
zu erleichtern, welcher zu dessen elektrischer Isolierung mit Kunststoff überzogen
ist. Der Kopf der Lampe, in welchem der Bildsensor 3 sitzt,
ist aus einem metallischen, im Wesentlichen zylindrischen oder kegelstumpfförmigen,
steifen Hohlkörper
gebildet, um den Bildsensor zu schützen, jedoch zu dessen elektrischer
Isolierung mit einem nicht-leitenden Material, wie beispielsweise
Plastik, überzogen.
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Die
zur Beleuchtung des zu beobachtenden Feldes mittels des Kopfes der
Visualisierungsvorrichtung ohne Erhöhung der Ausmaße des Lampenkopfes
vorgeschlagene Lösung
besteht darin, die Beleuchtungsmittel in den Schaft 4 und
nicht in den Kopf 2 einzubringen.
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Diese
Mittel sind z.B. eine einzige Glüh-
oder Halogenleuchte 23, die in den Schaft 4 eingebracht ist,
welche Lichtführungsmitteln
zugeordnet ist. Es kann sich auch um eine Elektrolumineszenzdiode handeln.
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Die
Leuchte muss von geringem Preis und geringem Stromverbrauch sein.
Der Beweggrund dafür,
sie in den Schaft der Lampe einzubringen, besteht in der Leichtigkeit
des Auswechselns bei Versagen in den Kundendienststellen des Fahrzeugvertriebes,
welche die Instandhaltung der Videovorrichtung sicherstellen können.
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Das
von dieser Leuchte 23 ausgesandte Licht wird durch ein
beispielsweise aus Plastik bestehendes Bündel 20 an optischen
Fasern zum Kopf 2 der Lampe geführt. Es können 2 oder 4 Fasern von sehr
geringem Preis verwendet werden. Die Leuchte 23 wird an
dem Eingang der optischen Fasern des Bündels angeordnet, wobei die
Luftkupplung ausreicht, um das Licht über die Fasern zum Kopf zu transportieren.
Diese Luftkupplung ist einfach, und das Auswechseln der Leuchte,
wenn diese durchgebrannt ist, ist sehr leicht, was bei einer Harzkopplung nicht
der Fall wäre.
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Das
andere Ende einer jeden optischen Faser wird gegen einen Ring 21 aus
streuendem, nicht-durchsichtigem Polymer vom PMMA – Poly-Methylmethacrylat – Typ gesetzt,
was es erlaubt, im Sichtfeld der Digitalkamera eine diffuse Beleuchtung
vom Lambert-Typ zu erhalten. Wenn es zwei optische Fasern gibt,
sind deren jeweilige Enden diametral entgegengesetzt, ansonsten
sind sie im Verhältnis
zum Mittelpunkt symmetrisch verteilt, entweder um 90°, wenn sie
z.B. vier sind, wie es die 2 zeigt.
Im durchbrochenen Zentrum dieses Ringes 21 ist das Objektiv 6 des
Bildsensors 3 angeordnet, vom Pin hole- oder einfachen
Linsentyp, mit geringer numerischer Apertur. Eine kreisförmige Platte 22 aus durchsichtigem
Polymer ist auf das Ende 2 der Lampe aufgeklebt, um die
vollständige
Dichtheit des so verwirklichten Diagnosewerkzeuges zu gewährleisten.
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Der
für den
CCD- oder CMOS-Sensor und die Beleuchtungsmittel eingesetzte Wellenlängenbereich
kann im sichtbaren oder im Infrarot- oder im ultravioletten Spektrum
liegen.
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Bei
einer Version zur netzunabhängigen
Verwendung ist die Stromversorgungsquelle, welche sich im Schaft 4 oder
in dem Gehäuse
des Bildschirms 100 befindet, vom Batterie- oder wiederaufladbarem
Akkumulatortyp.
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Bei
einer anderen, netzabhängigen
Version wird die Videovorrichtung über das 110 oder 220 Volt-Stromnetz
durch einen Telediagnoseschrank versorgt.
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Die
Mittel zur Inbetriebnahme der Lampe der Vorrichtung sowie der für die Bildsensor
erforderlichen Beleuchtungsmittel sind auf dem Schaft 4 angeordnet.
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Eine
derartige erfindungsgemäße Visualisierungsvorrichtung
wird vorteilhafterweise als Werkzeug zur Diagnose von Pannen bei
Kraftfahrzeugen verwendet, insbesondere beim Motor. Dieses Werkzeug
ermöglicht
es, die Zeit der Suche nach der Panne, d.h. des den Kunden nicht
in Rechnung gestellten Auseinanderbaus und Zusammenbaus, zu verringern.
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Sie
kann bei den folgenden Operationstypen verwendet werden:
- – Direktablesen
der für
das Auge des Mechanikers nicht zugänglichen Bauteilnummern;
- – Suche
nach Bremsflüssigkeits-,
Getriebeöl-, Motoröl- oder
Kühlflüssigkeitsaustritten;
- – Suche
nach Rostpunkten an den Kotflügeln
der Karosserie oder auf Höhe
des Radkastens;
- – Suche
nach Dichtheitsmängel;
- – Suche
nach Elektrokabelverläufen
im Armaturenbrett;
- – Suche
nach Elektropannen in den Belüftungswegen.
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Zudem
hat dieses videoendoskopische Diagnosegerät einen sehr geringen Preis,
was eine große
Verbreitung nicht nur im Automobilsektor sondern auch in der Luftfahrt
oder im Sektor der Industriemaschinen erlaubt.