DE69515649T2

DE69515649T2 - Digitales messendoskop mit hochaufloesendem kodierer

Info

Publication number: DE69515649T2
Application number: DE69515649T
Authority: DE
Inventors: Gerard Costello; Emerick Dianna
Original assignee: Keymed Medical and Industrial Equipment Ltd
Current assignee: Keymed Medical and Industrial Equipment Ltd
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2015-12-28
Also published as: EP0748435A1; US6195119B1; EP0748435B1; DE69515649D1; WO1996020389A1; JPH09510019A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung, die ein Betrachtungsgerät beinhaltet, wie zum Beispiel ein starres Bohrungsprüfgerät, ein flexibles Lichtleiter-Betrachtungsgerät oder ein Video-Betrachtungsgerät, zum exakten Messen von betrachteten Gegenständen, Details von Gegenständen und Fehlern von Gegenständen. Die Anordnung der vorliegenden Erfindung ist genauer als bekannte Systeme, jedoch einfach zu verwenden.
Betrachtungsgeräte, wie zum Beispiel flexible Video-Betrachtungsgeräte und Lichtleiter-Betrachtungsgeräte, werden während diagnostischer Verfahren oder chirurgischen Eingriffen bereits zum Betrachten des Inneren des Körpers verwendet. Betrachtungsgeräte, wie zum Beispiel starre Bohrungsprüfgeräte, werden zum Betrachten und Inspizieren von hergestellten Teilen verwendet, die sonst für das Auge nicht zugänglich sind. Obwohl solche Betrachtungsgeräte eine nahezu grenzenlose Anzahl von Anwendungen besitzen, veranschaulicht das nachfolgende Beispiel ihren Wert.
Ein Gasturbinenmotor beinhaltet eine Reihe von Kompressor- und Turbinenschaufeln, von denen irgendeine beschädigt werden kann. Die Kompressor-/Turbinenschaufeln der ersten und der letzten Stufe eines Gasturbinenmotors können zwar direkt inspiziert werden, jedoch können andere Kompressor-/Turbinenschaufeln von zwischengeordneten Stufen nicht direkt inspiziert werden.
In der Vergangenheit mußte zum Inspizieren dieser Kompressor- /Turbinenschaufeln von zwischengeordneten Stufen der Motor zerlegt werden, bis die Kompressor-/Turbinenschaufel der zwi schengeordneten Stufe direkt inspiziert werden konnte. Jüngere Gasturbinenmotoren besitzen jedoch Öffnungen (oder Bohrungsprüfgerät-Öffnungen), die an kritischen Bereichen vorgesehen sind. Diese Bohrungsprüfgerät-Öffnungen gestatten ein Inspizieren der Schaufeln von zwischengeordneten Stufen unter Verwendung eines Bohrungsprüfgeräts.
Das Bohrungsprüfgerät beinhaltet ein langes, dünnes Einführungsrohr mit einem Linsensystem an seinem distalen Ende und einer Betrachtungseinrichtung an seinem proximalen Ende. Wenn das Einführungsrohr des Bohrungsprüfgeräts in eine Bohrungsprüfgerät-Öffnung des Gasturbinenmotors eingeführt wird, überträgt das Linsensystem an seinem distalen Ende ein Bild einer ansonsten unzugänglichen zwischengeordneten Kompressor-/Turbinenschaufel zu der Betrachtungseinrichtung an dem proximalen Ende.
Der Brennpunkt des Bildes kann (bei einigen Modellen) durch Steuerknöpfe an dem proximalen Ende des Bohrungsprüfgeräts eingestellt werden. Wie durch dieses Beispiel veranschaulicht wird, ermöglicht ein Bohrungsprüfgerät somit eine Überprüfung einer dazwischen angeordneten Kompressor-/Turbinenschaufel eines Gasturbinenmotors, ohne daß der Motor zerlegt werden muß.
Abgesehen von der Verwendung zum indirekten Inspizieren von Teilen, die nicht direkt inspiziert werden können, können Bohrungsprüfgeräte auch zum Messen der Größe von Mängeln oder Defekten an dem Teil verwendet werden. Zum Beispiel erläutert das US-Patent Nr. 4 980 763 (im folgenden "das '763-Patent") ein System zum Messen von Gegenständen, die durch ein Bohrungsprüfgerät betrachtet werden.
Das in dem '763-Patent erläuterte System projiziert ein Hilfsbild, wie zum Beispiel einen Schatten, auf den betrachteten Gegenstand. Änderungen hinsichtlich der Position oder der Größe des Hilfsbildes entsprechen der Distanz zwischen dem betrachteten Gegenstand und dem Bohrungsprüfgerät.
Das Bild wird auf einem Monitor angezeigt, der einen Vergrößerungs- und Objektentfernungs-Skalenüberlagerungsschirm aufweist. Die Größe des Gegenstands auf dem Bildschirm wird mittels Nonius-Schublehren oder elektronisch mittels Cursormarken gemessen.
Diese Größe wird dann dividiert durch die Vergrößerung, die bei der Betrachtung dort festgestellt wird, wo das Hilfsbild auf die Vergrößerungs-Überlagerungseinrichtung fällt. Leider benötigt das in dem '763-Patent erläuterte System einen Benutzer zum manuellen Bestimmen des Vergrößerungsfaktors auf der Basis der Position des Hilfsbildes auf dem Anzeigeschirm.
Das US-Patent Nr. 4 207 594 (im folgenden "das '594-Patent") erläutert ein System, bei dem die Abmessungen eines Fehlers aufgrund eines von Hand eingegebenen Sichtfeldwertes sowie eines Verhältnisses eines zweiten Fadenkreuzes, das an Rändern eines Fehlerbildes angeordnet ist, zu einem ersten Fadenkreuz, das an Rändern des Sichtfeldes angeordnet ist, bestimmt werden.
Leider ist es bei dem in dem '594-Patent erläuterten System notwendig, daß Sondenpenetrationswerte manuell von einer Skala an dem Sondenzylinder abgelesen werden, um das Sichtfeld zu bestimmen. Da solche Skalen keine feinen Abstufungen aufweisen und da sie manuell abgelesen werden müssen, werden dabei Fehler eingebracht.
Das US-Patent Nr. 4 820 043 (im folgenden "das '043-Patent") erläutert ein technisches Betrachtungsgerät zum Bestimmen der Länge eines Fehlers oder Defektes. Das technische Betrach tungsgerät beinhaltet eine Skala mit Graduierungen, die in einer Richtung quer zu der Endoskopachse verschiebbar ist. Die graduierte Skala ist mechanisch mit einem Detektor gekoppelt, der ein elektrisches Signal aufgrund der Querverschiebung der graduierten Skala erzeugt.
Die Entfernung zu dem Fehler wird bestimmt durch (i) Betrachten des Objektbildes an einer ersten Endposition einer festgelegten Hubstrecke Z des Endoskops, (ii) Feststellen des Abschnitts des Objektbildes auf der graduierten Skala, (iii) axiales Verschieben des Endoskops um die feststehende Hubstrecke Z und (iv) Verschieben der graduierten Skala in Querrichtung, bis das Fehlerbild diese an derselben Stelle schneidet wie vor der axialen Verschiebung.
Ein Rechner verwendet das elektrische Signal von dem Detektor und eine bekannte Brennweite des Endoskops zum Bestimmen der Objektentfernung. Die Größe des Fehlers kann in ähnlicher Weise bestimmt werden. Das technische Betrachtungsgerät des '043-Patents beinhaltet ferner ein Schwingprisma mit einem Detektor zum Bestimmen seiner winkelmäßigen Position.
Leider ist es bei dem Betrachtungsgerät des '043-Patents erforderlich, daß die Brennweite des Endoskops im voraus bekannt ist, und außerdem sind zwei Messungen erforderlich. Weiterhin muß die Distanz zwischen den beiden Messungen feststehen, und das Betrachtungsgerät muß in bezug auf das Objekt während der beiden Messungen feststehen.
Außerdem begrenzen Einschränkungen bei den Abstufungen der graduierten Skala die Genauigkeit der Ablesungen. Ferner werden durch manuelles Ablesen des Schnittpunkts eines Defektes auf der graduierten Skala auch Fehler eingebracht.
Das US-Patent Nr. 4 702 229 (im folgenden "das '229-Patent") erläutert ein technisches Betrachtungsgerät zum Vermessen eines Objekts. Das technische Betrachtungsgerät beinhaltet einen inneren Schaft, der in bezug auf einen äußeren Schaft axial verschiebbar ist.
Eine Meßskala ist in dem inneren Schaft vorgesehen. Die Messung des Objekts wird bestimmt durch (i) Plazieren eines Rands des Objektbildes auf der Meßskala, (ii) Fixieren des technischen Betrachtungsgeräts in bezug auf das Objekt, (iii) axiales Verschieben des inneren Schafts um eine feststehende Distanz und (iv) Feststellen, wie viele Skalenunterteilungen sich das Objektbild auf der Meßskala bewegt hat.
Die Objektgröße wird aufgrund einer bekannten Systembrennweite, der Länge der Verschiebung sowie der Anzahl von Skalierungen bestimmt, über die sich das Objekt bewegt hat. Das '229-Patent ist ähnlich dem '043-Patent mit der Ausnahme, daß bei dem '043-Patent die Graduierungsskala in Querrichtung umpositioniert ist, so daß das Objekt diese an der gleichen Stelle schneidet und die Position in Querrichtung mittels eines mechanischen Detektors bestimmt wird.
Aus diesem Grund hat das Gerät des '229-Patents die gleichen Nachteile wie das '043-Patent, d. h. (i) die Brennweite des technischen Betrachtungsgeräts muß bekannt sein, (ii) es sind zwei Messungen notwendig, während derer das technische Betrachtungsgerät in bezug auf das Objekt feststehend angeordnet sein muß, (iii) Einschränkungen bei den Abstufungen der Meßskala führen zum Einbringen von Fehlern, und (iv) die Meßskala muß manuell abgelesen werden.
Bekannte Vorrichtungen verwenden auch einen Vergrößerungsskalenring, der angrenzend an einen Fokussiersteuerring mit einer Anzeigeeinrichtung RV angeordnet ist, um die Vergrößerung des Betrachtungsgeräts zu bestimmen. Aufgrund der Position der Anzeigeeinrichtung des Fokussiersteuerrings in bezug auf die Vergrößerungsskala wird die Vergrößerung des Betrachtungsgeräts bei dieser Objektentfernung bestimmt.
Ähnlich wie bei dem Sondenpenetrationsknopf bei dem in dem '594-Patent erläuterten System besteht leider auch bei solchen Vorrichtungen die Notwendigkeit, daß Vergrößerungswerte manuell von einer Skala auf dem Vergrößerungszylinder abgelesen werden.
Da solche Skalen keine feinen Abstufungen aufweisen und da die Vergrößerungswerte manuell abgelesen werden müssen, werden Fehler eingebracht. Selbst wenn die Skala feine Markierungen hätte, müßte ihr Durchmesser enorm groß sein, um Tausende von einzelnen "Markierungen" aufzuweisen.
Wenn ein solches Betrachtungsgerät mit einem Fadenkreuz und einer Dioptrien-Brennpunktsteuerung ausgestattet ist, kann dieses bekannte Gerät auch zum Bestimmen der Größe eines betrachteten Objekts verwendet werden. Ein Fadenkreuz ist eine Skala, die in eine Oberfläche einer transparenten Glasplatte geätzt ist, die in dem optischen System vorhanden ist. Die Dioptrien-Brennpunktsteuerung wird zum Fokussieren der Fadenkreuzskala verwendet.
Ein Objekt wird dann mittels der Brennpunktsteuerung fokussiert. Auf der Basis der Anzahl von Fadenkreuzen, die das Objektbild überdeckt, sowie auf der Basis des Vergrößerungsausmaßes wird die Objektgröße bestimmt. Leider wird die Fadenkreuzskala manuell abgelesen, so daß Fehler eingebracht werden.
Ein manuelles Ablesen der Anzahl von Fadenkreuzen, die das Objektbild überdeckt, ist außerdem ermüdend für das Auge des Be nutzers. Da ferner die Anzahl von Markierungen auf dem Fadenkreuz begrenzt ist, ist auch die Genauigkeit begrenzt. Ferner ist dieses Verfahren ungenau, da sich das Auge auf eine "defokussierte" Brennpunktzylinderposition einstellt.
Das US-Patent Nr. 4 558 691 (im folgenden "das '691-Patent") offenbart ein Endoskop, bei dem eine tatsächliche Größe eines betrachteten Objekts, eine Vergrößerung des Betrachtungsgeräts sowie eine Objektentfernung aufgrund einer positionsmäßigen Beziehung zwischen einem Anzeigeindex und einem stationären Referenzindex bestimmt werden können.
Der Anzeigeindex ist auf einer Glasplatte ausgebildet, die sich rechtwinklig zu der optischen Achse nach oben und nach unten bewegt, während sich der Linsenzylinder des optischen Systems entlang der optischen Achse vor- und zurückbewegt.
Wie bei den vorstehend erläuterten Geräten besitzt auch der in dem '691-Patent beschriebene Anzeigeindex leider keine Feinabstufungen und muß manuell abgelesen werden. Dies ermöglicht nicht nur die Einbringung von Fehlern, sondern ist auch ermüdend für das Auge eines Benutzers.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 5-288 988 (im folgenden "die '988-Veröffentlichung") erläutert die Verwendung eines Codierers zum Bestimmen von Veränderungen in der Vergrößerung eines Zoomlinsensystems. Dieses System dient jedoch zur Betrachtung von Objekten in einer feststehenden Entfernung.
Das heißt, der Codierer in der '988-Veröffentlichung bestimmt Veränderungen in der Vergrößerung des Betrachtungsgeräts, kann jedoch nicht die ursprüngliche Vergrößerung des Betrachtungsgeräts bestimmen und kann keine Objektentfernung bestimmen.
In Anbetracht der vorstehend beschriebenen Probleme bei bestehenden Betrachtungsgerät-Meßsystemen wird ein System zum automatischen Messen von Objekten mit hoher Auflösung benötigt.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung gibt ein System zum Bestimmen einer Dimension eines Details an, wie es im Anspruch 1 angegeben ist.
Die vorliegende Erfindung erfüllt den vorstehend genannten Bedarf durch das Angeben einer Anordnung mit einem Betrachtungsgerät, das einen Fokussiermechanismus aufweist, mit dem ein Codierer mit hoher Auflösung gekoppelt ist. Der Codierer schickt ein Signal, das der Position des Fokussiermechanismus entspricht, zu einem Prozessor. Das Bild von dem Betrachtungsgerät wird ebenfalls zu dem Prozessor geschickt. Ein von dem Prozessor ausgeführtes Programm liefert eine Korrelation des Codierersignals mit der Objektgröße und/oder Vergrößerung.
Bei dem Codierer kann es sich entweder um einen relativen Codierer oder um einen absoluten Codierer handeln, und er kann eine optische, elektrische und/oder magnetische Codierung ausführen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Systems der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Codierer jedoch um einen relativen optischen Codierer.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Betrachtungsgerät um ein starres Bohrungsprüfgerät mit Schwingprisma, das dem Benutzer eine Änderung der Betrachtungsrichtung des Betrachtungsgeräts von dem Betrachtungsgerätkörper ermöglicht. Bei dem Codierer handelt es sich vorzugsweise um einen drehbaren optischen Codierer. Das Bild von dem Betrachtungsgerät wird vorzugsweise über eine an einem Okularstück angebrachte Kamera zu dem Videoprozessor geschickt.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Systems der vorliegenden Erfindung, bei dem ein relativer Codierer verwendet wird, liefert der relative Codierer eine schrittweise Erhöhung und Verringerung eines Anfangszählwerts aufgrund von Einstellungen der Fokussiereinrichtung. Der Anfangszählwert wird vorgegeben, wenn die Fokussiereinrichtung in einer vorbestimmten Ausgangsposition angeordnet ist.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Betrachtungsgerät um ein flexibles, fokussierendes Lichtleiter-Betrachtungsgerät mit einem Fokussierlinsensystem an einem distalen Ende und einer Fokussiersteuerung an einem proximalen Ende. Die Fokussiersteuerung an dem proximalen Ende betätigt mindestens eine Linse des Fokussierlinsensystems an dem distalen Ende mittels eines Steuerkabels oder mittels einer flexiblen Schraube bzw. Gewindespindel mit feiner Teilung.
Bei dem Codierer kann es sich um einen linearen Codierer handeln, der sich an dem distalen Ende befindet, um die lineare Bewegung der mindestens einen Linse des Fokussierlinsensystems zu messen, oder es kann sich um einen an dem proximalen Ende befindlichen Codierer zum Messen einer Bewegung der Fokussiersteuerung handeln.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Betrachtungsgerät um ein flexibles Video-Lichtleiter-Betrachtungsgerät mit einem Fokussierlinsensystem an dem distalen Ende und einer Fokussiersteuerung an dem proximalen Ende.
Optische Codierer können rotationsmäßige Codierer oder lineare Codierer beinhalten. Die rotationsmäßigen Codierer beinhalten eine Codierscheibe, eine Lichtquelle und eine Detektiereinrichtung. Die Codierscheibe weist Öffnungen oder reflektierende und nicht-reflektierende Bereiche auf, die um ihren Umfang herum angeordnet sind, wobei die Codierscheibe mit der Fokussiereinrichtung mechanisch derart gekoppelt ist, daß sie sich dreht, wenn die Fokussiereinrichtung eingestellt wird.
Die Lichtquelle richtet Licht auf eine erste Seite der Codierscheibe. Wenn eine Codierscheibe mit Öffnungen verwendet wird, ist die Detektiereinrichtung auf einer zweiten Seite der Codierscheibe angeordnet und erzeugt einen Impuls, wenn Licht von der Lichtquelle durch eine Öffnung der Codierscheibe hindurchtritt.
Wird dagegen eine Codierscheibe mit reflektierenden und nicht- reflektierenden Bereichen verwendet, ist die Detektiereinrichtung auf der ersten Seite der Codierscheibe angeordnet und erzeugt einen Impuls, wenn Licht von der Lichtquelle von der Codierscheibe reflektiert wird.
Ein linearer Codierer ist ähnlich der Codierscheibe, mit der Ausnahme, daß er einen Streifen mit einer Vielzahl von beabstandeten Öffnungen oder einer Vielzahl von reflektierenden und nicht-reflektierenden Bereichen hat, wobei der lineare Codierer mit der Fokussiereinrichtung mechanisch derart gekoppelt ist, daß er linear bewegt wird, wenn die Fokussiereinrichtung eingestellt wird.
Die vorliegende Erfindung schafft ein System zum Bestimmen einer Dimension eines Details. Das System beinhaltet wenigstens ein optisches Betrachtungsgerät und einen Prozessor und kann auch eine Videokamera, eine Displayeinrichtung und eine Detailmarkierungseinrichtung beinhalten.
Das optische Betrachtungsgerät erzeugt ein Bild des Details und beinhaltet eine Fokussiereinrichtung und einen Codierer. Bohrungsprüfgeräte und Lichtleiter-Betrachtungsgeräte beinhalten auch eine Betrachtungseinrichtung. Die Fokussiereinrichtung stellt eine Brennpunktlage des Bildes des Details ein.
Bei Bohrungsprüfgeräten und Lichtleiter-Betrachtungsgeräten leitet die Betrachtungseinrichtung das Bild des Details weiter zu einer Ebene außerhalb des optischen Betrachtungsgeräts. Bei Video-Betrachtungsgeräten wird ein Videosignal erzeugt. Der Codierer schafft ein Brennpunktlagesignal aufgrund einer Position der Fokussiereinrichtung.
Die Videokamera erzeugt ein Videosignal des Details von einem Bild des Details. Bei Bohrungsprüfgeräten und Lichtleiter- Betrachtungsgeräten ist die Videokamera mit der Betrachtungseinrichtung des Betrachtungsgeräts optisch gekoppelt, während bei Video-Betrachtungsgeräten die Videokamera im Inneren angebracht ist.
Die Displayeinrichtung liefert eine Anzeige des Details aufgrund des Videosignals des Details. Die Detailmarkierungseinrichtung ermöglicht die Anbringung von wenigstens zwei Markierungen, die jeweils einen Koordinatenwert haben, auf der Anzeige des Details auf der Anzeigeeinrichtung.
Der Prozessor wandelt das Brennpunktlagesignal von dem Codierer in ein Objektentfernungssignal um und dieses dann in ein Vergrößerungssignal um. Der Prozessor bestimmt auch die Dimension des Details aufgrund der Koordinatenwerte der wenigstens zwei Markierungen sowie aufgrund des Vergrößerungssignals.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Systems der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem optischen Betrachtungsgerät um ein starres Bohrungsprüfgerät mit Schwingprisma.
Bei dem optischen Betrachtungsgerät kann es sich auch um ein Lichtleiter-Betrachtungsgerät oder ein Video-Betrachtungsgerät handeln.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiels des Systems der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Videokamera eine ladungsgekoppelte Einrichtung, die das Bild des Details in das Videosignal des Details umwandelt. Ferner beinhaltet bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung der Prozessor einen ersten Wandler, wie zum Beispiel eine Formel oder eine Nachschlagtabelle, zum Umwandeln des Brennpunktlagesignals in ein Objektentfernungssignal, sowie einen zweiten Wandler, wie zum Beispiel eine Formel oder eine Nachschlagtabelle, zum Umwandeln des Objektentfernungssignals von dem ersten Wandler in ein Vergrößerungssignal.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beinhaltet der Prozessor auch einen Größenprozessor zum Erzeugen der Dimension des Details aufgrund des Vergrößerungssignals von dem zweiten Wandler sowie aufgrund der Koordinatenwerte der wenigstens zwei Markierungen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet das optische Betrachtungsgerät ein distales Linsensystem, eine Fokussierlinse, eine Brennpunktsteuerung sowie einen Codierer. Wenn es sich bei dem optischen Betrachtungsgerät um ein Bohrungsprüfgerät oder um ein Lichtleiter- Betrachtungsgerät handelt, so beinhaltet es auch eine Betrachtungseinrichtung. Das distale Linsensystem erzeugt ein Bild eines Details innerhalb seines Sichtfeldes.
Wenn es sich bei dem optischen Betrachtungsgerät um ein Bohrungsprüfgerät oder ein Lichtleiter-Betrachtungsgerät handelt, liefert die Betrachtungseinrichtung ein von dem Linsensystem erzeugtes Bild des Details weiter auf eine Ebene außerhalb des Betrachtungsgeräts. Die Fokussierlinse befindet sich zwischen dem distalen Linsensystem und der Betrachtungseinrichtung und kann entlang seiner optischen Achse linear bewegt werden, um dadurch eine Einstellung der Brennpunktlage des Bildes zu ermöglichen.
Die Brennpunktsteuerung bewegt die Fokussierlinse linear entlang ihrer optischen Achse, so daß verschiedene Positionen der Brennpunktsteuerung unterschiedlichen Positionen der Fokussierlinse entsprechen. Wenn es sich bei dem optischen Betrachtungsgerät um ein Video-Betrachtungsgerät handelt, wandelt eine Videokamera, wie zum Beispiel eine ladungsgekoppelte Einrichtung, ein Bild in ein Videosignal an dem distalen Ende um.
Die Fokussiersteuerung betätigt wenigstens eine Linse in einem Linsensystem an dem distalen Ende. Der Codierer erzeugt Signale, die den verschiedenen Positionen der verlagerten Fokussierlinse oder der Brennpunktsteuerung entsprechen.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung liefert das Betrachtungsgerät eine automatische Fokussierung des Bildes auf der Videokamera. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein Schrittmotor wenigstens eine Linse des Fokussierlinsensystems betätigen. Alternativ kann ein Benutzer prozessorgeführte, manuelle Fokussiereinstellungen vornehmen. Der Benutzer positioniert einen Cursor auf dem Videobild des zu messendenden Details.
Alternativ hierzu könnten auch bekannte Verfahren der Muster- bzw. Rasterdetektion verwendet werden. Eine Anzahl von Abtastfenstern (d. h. eine vorbestimmte Anzahl von Pixeln um den interessierenden Bereich) wird mittels der mindestens einen Linse des Fokussierlinsensystems in verschiedenen Positionen aufgenommen. Die mindestens eine Linse wird durch den Schrittmotor bewegt.
Das Abtastfenster mit dem maximalen Kontrast, wie er durch ein bekanntes Verfahren bestimmt wird, wird als das am meisten im Brennpunkt befindliche Fenster betrachtet. Wenn mehr als ein maximaler Kontrast vorhanden ist, kann der Prozessor wählen, und zwar entweder (i) die Position auf der dem Brennpunkt benachbarten Seite mit maximalem Kontrast, (ii) die Position auf der von dem Brennpunkt abgelegenen Seite mit maximalem Kontrast oder (iii) die durchschnittliche Brennpunktposition der maximalen Kontrastwerte.
Diese Wahl ist vorbestimmt. Es kann zwar jede beliebige der drei Wahlmöglichkeiten verwendet werden, jedoch muß diese in konsistenter Weise verwendet werden, wobei sie die Basis für die Systemkalibrierung bilden kann.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine optische Verzerrung aufgrund einer Exzentrizität des Bildes in bezug auf das Fokussierlinsensystem durch den Videoprozessor korrigiert. Die Exzentrizität wird aufgrund der Lage des Bildes auf der Videokamera und/oder auf dem Videomonitor bestimmt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines starren Bohrungsprüfgeräts;
Fig. 2 eine Darstellung eines mit Markierungen versehenen Fokussierzylinders, wie er bei bekannten Betrachtungsgeräten für Messungen verwendet wird;
Fig. 3 eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines rotationsmäßigen Okularpositions-Codierers zur Verwendung bei dem System der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Draufsicht auf den in Fig. 3 gezeigten rotationsmäßigen Okularpositions-Codierer;
Fig. 5 eine Perspektivansicht zur Erläuterung eines Fokussierzylinders mit einer wendelförmigen Nut;
Fig. 6 eine Perspektivansicht zur Erläuterung eines Bohrungsprüfgerät-Gehäuses mit einem Längsschlitz;
Fig. 7a und 7b im Schnitt dargestellte Seitenansichten des rotationsmäßigen Okular-Codierers der Fig. 3 zur Erläuterung der Unterschiede bei den Positionen der Elemente des Codierers bei Betrachtung relativ entfernter Objekte und relativ naher Objekte;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Emitter-Endplatte, eines Coderads sowie eines Codiererkörpers eines rotationsmäßigen Codierers, der bei dem System gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 9a bis 9d Zeitsteuerungsdiagramme der Ausgangssignale des in Fig. 8 dargestellten rotationsmäßigen Codierers;
Fig. 10 ein funktionsmäßiges Blockdiagramm des Systems der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 eine grafische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Vergrößerung und der Objektentfernung für ein exemplarisches Bohrungsprüfgerät;
Fig. 12 eine Tabelle zum Bestimmen der Objektentfernung aufgrund des von einem exemplarischen Codierers erzeugten Zählstands;
Fig. 13 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Benutzen des Systems der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14a eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines objektivartigen Lichtleiter-Betrachtungsgeräts mit einem distal angebrachten Codierer und mit einem proximalen Fokussierkabel zum mechanischen Verbinden einer Brennpunktsteuerung mit einem Fokussierlinsensystem.
Fig. 14b eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines objektivartigen Lichtleiter-Betrachtungsgeräts mit einem distal angebrachten Codierer und mit einer flexiblen Gewindespindel mit feiner Teilung und einer Mutter mit feiner Teilung zum mechanischen Koppeln einer proximalen Brennpunktsteuerung mit einem Fokussierlinsensystem;
Fig. 14c eine alternative Ausführungsform der Anordnungen in Fig. 14a und 14b, bei der ein proximal angebrachter 1 Codierer anstatt eines distal angebrachten Codierers verwendet wird;
Fig. 15a eine schematische Darstellung eines objektivartigen Video-Betrachtungsgeräts mit einem distal angebrachten Codierer und mit einem Fokussierkabel zum mechanischen Koppeln einer Brennpunktsteuerung mit einem proximalen Fokussierlinsensystem;
Fig. 15b eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines objektivartigen Video-Betrachtungsgeräts mit einem distal angebrachten Codierer und mit einer flexiblen Gewindespindel mit feiner Teilung und einer Mutter mit feiner Teilung zum mechanischen Koppeln einer proximalen Brennpunktsteuerung mit einem Fokussierlinsensystem;
Fig. 15c eine alternative Ausführungsform der Anordnungen in Fig. 15a und 15b, bei der ein proximal angebrachter Codierer anstatt eines distal angebrachten Codierers verwendet wird;
Fig. 16a und 16b Videoanzeigeschirme zur Erläuterung eines Verfahrens zum Bestimmen der Vergrößerung sowie radialer Verzerrungsfehler;
Fig. 17 eine schematische Darstellung zur Erläuterung, wie Vergrößerungen bestimmt werden;
Fig. 18 ein Flußdiagramm eines automatischen Fokussiervorgangs;
Fig. 19 eine schematische Darstellung zur Erläuterung weiterer Elemente, die bei einem automatischen Fokussier-Betrachtungsgerät verwendet werden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Es folgt nun eine Beschreibung einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen rotationsmäßigen Codierer mit einem Bohrungsprüfgerät verwendet. Dieses Beispiel soll den Umfang der Erfindung nicht auf starre Bohrungsprüfgeräte oder auf rotationsmäßige Codierer beschränken. Der Umfang der Erfindung wird vielmehr durch die Ansprüche definiert, die sich an die ausführliche Beschreibung anschließen.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht zur Erläuterung eines starren Bohrungsprüfgeräts 1. Das Bohrungsprüfgerät 1 besitzt einen Körper 2 und einen langen dünnen Arm (oder ein Einführungsrohr) 3. Das Einführungsrohr 3 ist an einem proximalen Ende mit den Körper 2 verbunden, besitzt eine Einführungslänge WL und beinhaltet ein Linsensystem 10.
Das Linsensystem 10 weist ein Sichtfeld auf, das durch den Winkel FOV bestimmt ist. Wie in den fragmentarischen Seitenansichten des Einführungsrohrs 3 dargestellt ist, besitzen verschiedene Linsensysteme 10a bis 10d unterschiedliche Betrachtungsrichtungen.
Das distale Ende des Einführungsrohrs 3 beinhaltet eine Abdeckung 9 zum Schützen des Einführungsrohrs 3 vor mechanischen Stößen, die aus unbeabsichtigten Kollisionen resultieren. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das starre Bohrungsprüfgerät ein Schwingprisma auf, d. h. ein Prisma, das verschwenkt werden kann.
Die Betrachtungsrichtung eines solchen Schwingprismas kann von 45º bis 120º eingestellt werden. Ein Sensor kann zum Bestimmen der winkelmäßigen Position des Prismas verwendet werden. Eine jegliche von 90º abweichende winkelmäßige Prismenposition verursacht das Einbringen von optischen Fehlern. Diese optischen Fehler können auf der Basis des Sensorausgangssignals kompensiert werden.
Der Körper 2 des Bohrungsprüfgeräts 1 beinhaltet eine Umlaufabtaststeuerung 8, eine Brennpunktsteuerung 4, eine Betrachtungseinrichtung 11 und einen Lichtführungsverbinder 6. Die Umlaufabtaststeuerung 8 wird zum rotationsmäßigen Bewegen des Einführungsrohrs 3 zum Aufnehmen von verschiedenen Ansichten verwendet.
Die winkelmäßige Orientierung des Einführungsrohrs 3 wird mittels eines Umlaufabtastungs-Richtungsanzeigers 7 angezeigt. Die Brennpunktsteuerung 4 gestattet eine Fokussierung des von dem Linsensystem 10 aufgenommenen Bildes an der Betrachtungseinrichtung 11. Die Lichtführungsverbindung 6 ermöglicht ein Koppeln einer Lichtquelle (nicht gezeigt) mit dem Bohrungsprüfgerät.
Das Licht von der Lichtquelle kann beispielsweise durch ein Lichtleiterbündel zu dem distalen Ende des Einführungsrohrs 3 geleitet werden, um Objekte innerhalb des Sichtfeldes des Linsensystems 10 zu beleuchten. Die Betrachtungseinrichtung 11 liefert das von dem Linsensystem 10 aufgenommene Bild. Ein Okularstück 5 kann mit der Betrachtungseinrichtung 11 zur direkten Betrachtung verbunden sein.
Wie in Fig. 10 gezeigt ist, kann alternativ hierzu eine Videokamera 103 mittels eines Betrachtungseinrichtungs-Kamera-Adapters 116 an der Betrachtungseinrichtung angebracht sein. Die Videokamera 103 kann ein Videosignal zu einem Videoprozessor 108 übertragen.
Ein "fokussierendes Bohrungsprüfgerät" ist ein Bohrungsprüfgerät mit verstellbarem Brennpunkt, der in einem Bereich von Objektentfernungen ein scharfes Bild liefert. Das enge Sichtfeld (z. B. FOV = 20º) führt zu einer flachen bzw. geringen Tiefenschärfe (DOF). Infolgedessen entsprechen bei fokussierenden Bohrungsprüfgeräten Positionen des Brennpunktzylinders Objektentfernungen.
Somit kann der Brennpunktzylinder kalibriert und als Enfernungsmesser verwendet werden. Da der Logarithmus der Betrachtungsgerät-Vergrößerung und der Logarithmus der Objektentfernung eine lineare Beziehung besitzen, läßt sich auch die tatsächliche Größe eines betrachteten Objekts bestimmen.
Fig. 2 weist einen mit Markierungen versehenen Brennpunktzylinder auf, wie er bei bekannten Betrachtungsgeräten für Messungen verwendet wird, wie zum Beispiel einem fokussierenden Bohrungsprüfgerät. Ein solcher mit Markierungen versehener Brennpunktzylinder kann beispielsweise an dem Körper 2 des Bohrungsprüfgeräts 1 der Fig. 1 vorgesehen sein.
Der Brennpunktzylinder der Fig. 2 beinhaltet eine Vergrößerungsskala 22, eine Dioptrien-Brennpunktsteuerung 23, eine Fadenkreuz- bzw. Gitter-Orientierungssteuerung 24 sowie eine Fokussiersteuerung 21 mit einer Anzeigeeinrichtung 211.
Wenn das betrachtete Bild fokussiert wird, wird die Position der Anzeigeeinrichtung 211 der Fokussiersteuerung 21 in bezug auf die Vergrößerungsskala zum Bestimmen der Vergrößerung des Bildes verwendet. Wie vorstehend erwähnt, steht der Logarithmus der Objektentfernung in linearer Beziehung zu dem Logarithmus der Betrachtungsgerät-Vergrößerung. Sobald die Ver größerung des Bildes bestimmt ist, kann somit die Objektentfernung abgeleitet werden.
Wie ferner in dem Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" eingangs erläutert wurde, kann dann, wenn das Fadenkreuz bzw. Gitter (d. h. eine in eine Oberfläche eines in dem optischen System vorhandenen Abdeckglases geätzte Skala) mittels der Dioptrien-Brennpunktsteuerung 23 fokussiert wird, die Größe des betrachteten Objekts aufgrund der Anzahl von Fadenkreuzen bzw. Gittern die das Bild des Objekts einnimmt, sowie aufgrund der Vergrößerung des Betrachtungsgeräts bestimmt werden.
Bei Verwendung eines Betrachtungsgeräts mit einem mit Markierungen versehenen Brennpunktzylinder zum Bestimmen der Objektentfernung, d. h. bei Verwendung als Entfernungsmesser, wird jedoch leider eine Anzahl von Fehlerquellen eingebracht. Als erstes ist die Auflösung des Vergrößerungsablesewerts durch die Abstufungen der Vergrößerungsskala begrenzt. Auch besteht eine sehr praktische Grenze hinsichtlich der Anzahl von Fadenkreuz- bzw. Gittermarkierungen, so daß die Genauigkeit begrenzt ist.
Zweitens müssen die Vergrößerungsskala 22 sowie die Anzahl der von dem fokussierten Bild überdeckten Fadenkreuze von einem Benutzer manuell abgelesen werden. Drittens kommt es durch manuelle Berechungen sowie Verwechslungen bei in mehreren Schritten durchzuführenden Verfahren zur Möglichkeit von menschlichen Fehlern.
Außerdem hat die nur in geringem Maße bestehende "einfache Verwendbarkeit" von Betrachtungsgerät-Meßsystemen, die von mit Markierungen versehenen Brennpunktzylindern Gebrauch machen, sowie das Auftreten von Augenermüdung bei Verwendung solcher Betrachtungsgeräte ihre Akzeptanz begrenzt. Von wesentlicherer Bedeutung ist jedoch, daß sich das Auge an geringfügig "defokussierte" Bilder gewöhnt.
Außerdem führen Unterschiede in der Sehkraft von verschiedenen Benutzern zu unterschiedlichen Vergrößerungen, die zum Fokussieren des Bildes erforderlich sind. Das heißt, bei Benutzern mit unterschiedlicher Sehkraft kommt es zu voneinander verschiedenen Brennpunktpositionen für das betrachtete Objekt.
Fig. 3 zeigt eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht und Fig. 4 eine fragmentarische Draufsicht eines rotationsmäßigen Okularpositions-Codierers, der bei dem Betrachtungsgerät-Meßsystem der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Der rotationsmäßige Okular-Codierer beinhaltet einen Codierer- Aufnehmer 30 (der unter Bezugnahme auf Fig. 8 noch ausführlicher beschrieben wird), eine Codierer-Befestigungsplatte 31, ein Bohrungsprüfgerät-Chassis oder -Gehäuse 32, eine Codierscheibe 33, eine Codierscheibennabe 34, einen Träger mit einer Okularlinse 35, einen Okularpositionierstift 36, eine Betrachtungseinrichtung 37, einen Fokussierknopf 38 und einen Fokussierzylinder 39.
Der rotationsmäßige Okularpositions-Codierer kann mittels der Befestigungsplatte 31 an einem starren Bohrungsprüfgerät angebracht werden. Bei der Betrachtungseinrichtung 37 handelt es sich um ein Okularstück. Wie in Fig. 10 dargestellt, ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch eine Videokamera 103 mittels eines Kameraadapters 116 an der Betrachtungseinrichtung 37 angebracht. Die Videokamera 103 überträgt ein Videosignal zu einem Videoprozessor 108, der das aufgenommene Bild 110 auf einem Anzeigemonitor 109 anzeigt.
Diese Anordnung ermöglicht eine exaktere Fokussierung des aufgenommenen Bildes als dies mit dem menschlichen Auge an der Betrachtungseinrichtung 37 möglich wäre, da die Videokamera 103 eine Abbildungseinrichtung, wie zum Beispiel eine ladungsgekoppelte Einrichtung (CCD) 104, aufweist, die in einer feststehenden Distanz von der Betrachtungseinrichtung 37 gehalten wird.
Somit liefert die Videokamera 103 eine "harte Brennpunktebene", die im Vergleich zu den verschiedenen Brennpunktpositionen von Vorteil ist, wie sie sich in der vorstehend beschriebenen Weise bei unterschiedlichen Benutzern mit unterschiedlicher Sehkraft sowie aufgrund der Fähigkeit des Auges ergeben, sich auf geringfügig "defokussierte" Bilder einzustellen.
Wenn der Fokussierknopf 38 um die optische Achse gedreht wird, bewegt sich der Okularlinsenträger 35 nach oben oder nach unten, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist. Durch Betrachten des Bildes auf dem Anzeigemonitor kann der Fokussierknopf 38 dazu verwendet werden, das durch die in dem Träger 35 gehaltene Okularlinse übertragene Bild exakt zu fokussieren. Dies erfolgt in der nachfolgend erläuterten Weise.
Der Fokussierknopf 38 ist mit dem Fokussierzylinder 39 mechanisch gekoppelt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Fokussierknopf 38 direkt an dem Fokussierzylinder 39 angebracht. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist der Fokussierzylinder 39 zylindrisch ausgebildet und besitzt eine wendelförmige Nut 51, die in dessen Innenfläche eingebracht ist.
Der Okularpositionierstift 36 paßt in die wendelförmige Nut 51. Die Innenoberfläche des Fokussierzylinders 39 besitzt einen geringfügig größeren Durchmesser als die Außenoberfläche des Bohrungsprüfgerät-Gehäuses 32, um dadurch eine Rotationsbewegung des Fokussierzylinders 29 um das Bohrungsprüfgerät- Gehäuse 32 zu ermöglichen.
Wie in Fig. 6 gezeigt ist, weist das Bohrungsprüfgerät-Gehäuse 32 einen Längsschlitz 61 auf, durch den der Okularpositionierstift 36 hindurchragt. Bei Rotation des Fokussierknopfes 38 dreht sich somit der direkt damit verbundene Fokussierzylinder 39 ebenfalls um das Bohrungsprüfgerät-Gehäuse 32.
Die wendelförmige Nut 51 in der Innenfläche des Fokussierzylinders 39 veranlaßt den Okularpositionierstift 36 zur Ausführung einer Bewegung nach oben oder nach unten in dem Längsschlitz 61 des Bohrungsprüfgerät-Gehäuses 32. Da der Okularpositionierstift 36 an dem Okularlinsenträger 35 angebracht ist, läßt sich die Okularlinse durch Drehen des Fokussierknopfes 38 nach oben und nach unten bewegen.
Die Fig. 7a und 7b veranschaulichen die relativen Positionen des Okularlinsenträgers 35 und des Okularpositionierstifts 36 innerhalb der Nut 51 in der Innenfläche des Fokussierzylinders 39, und zwar für ein Objekt, das relativ weit von dem Bohrungsprüfgerät entfernt ist bzw. für ein Objekt, das relativ nahe bei dem Bohrungsprüfgerät angeordnet ist.
Wie in Fig. 7a dargestellt, ist bei relativ großer Objektentfernung der Okularlinsenträger 35 weit entfernt von der Betrachtungseinrichtung 37 positioniert, und der Okularpositionierstift 36 befindet sich in einer hohen Position in der wendelförmigen Nut 51 in der Innenfläche des Fokussierzylinders 39.
Wenn dagegen in der in Fig. 7b dargestellten Weise die Objektentfernung relativ gering ist, ist der Okularlinsenträger 35 nahe bei der Betrachtungseinrichtung 37 positioniert, und der Okularpositionierstift 36 befindet sich in einer niedrigen Position in der wendelförmigen Nut 51 in der Innenfläche des Fokussierzylinders 39.
Wie in Fig. 3 gezeigt, ist der Fokussierzylinder 39 ferner mit der Scheibennabe 34 der Codierscheibe 33 mechanisch gekoppelt und vorzugsweise direkt mit dieser verbunden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, besitzt die Codierscheibe 33 eine Anzahl von Schlitzen oder Öffnungen 40 (von denen aus Gründen der Klarheit nur drei dargestellt sind), die um die Codierscheibe 33 herum angeordnet sind und dabei in gleichmäßigen winkelmäßigen Inkrementen voneinander beabstandet sind.
Der Codierer-Aufnehmer 30, der unter Bezugnahme auf Fig. 8 ausführlich beschrieben wird, bestimmt die winkelmäßige Rotation der Codierscheibe 33 durch Zählen der an dem Aufnehmer 30 empfangenen Impulse.
Bei dem optischen Codierer, der Impulse nach Maßgabe von Änderungen in der Brennpunktlage erzeugt, handelt es sich um einen sogenannten "relativen Codierer". Das heißt, es muß ein Ausgangszustand (d. h. ein Anfangszählwert) bestimmt werden, bevor der Zählwert schrittweise erhöht oder verringert wird. Dieser Ausgangszustand wird dadurch bestimmt, daß die Brennpunktlage in einer vorbestimmten "Ausgangspostion" angeordnet wird, für die der Zählwert bekannt ist oder durch die Elektronik typischerweise auf Null zurückgestellt wird.
Der bekannte oder zurückgestellte Zählwert wird dann schrittweise erhöht und/oder verringert, wenn die Brennpunktlage von der "Ausgangsposition" weg bewegt wird. Die der "Ausgangsposition" entsprechende Brennpunktlage befindet sich vorzugsweise bei mindestens einer der beiden extremen Brennpunktlagen. Alternativ hierzu kann eine Ausgangsposition mittels eines "Indexkanals" bestimmt werden, wie dies nachfolgend beschrieben wird.
Als Alternative zu solchen "relativen Codierern", die einen bekannten Zählwert schrittweise erhöhen und/oder verringern, wenn die Brennpunktlage von einer vorbestimmten Position weg bewegt wird, kann auch ein "absoluter Codierer" verwendet werden, der Information über seine absolute winkelmäßige (oder lineare) Position beinhaltet.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung des optischen Codierer-Aufnehmers 30. Der optische Codierer-Aufnehmer 30 beinhaltet eine Emitterendplatte 81, die einer ersten Oberfläche der Codierscheibe 33 benachbart angeordnet ist, sowie einen Codiererkörper 82, der einer zweiten Oberfläche der Codierscheibe 33 benachbart angeordnet ist.
Die Codierer-Endplatte 81 weist eine Reihe lichtemittierender Dioden 83a bis 83c zum Emittieren von Licht auf, das jeweils durch Linsen 84a bis 84c parallel gerichtet wird. Diese parallel gerichteten Lichtstrahlen werden in Richtung auf die erste Oberfläche der Codierscheibe 33 gerichtet.
Der Codiererkörper 82 besitzt eine Phasenplatte 85, Linsenpaare 86a bis 86c sowie Detektionselemente 87a bis 87c für drei (oder bei dem alternativen Ausführungsbeispiel zwei) Kanäle. Jeder der Kanäle 87a bis 87c beinhaltet eine integrierte Schaltung mit zwei Photodioden, von denen jede ihren eigenen Verstärker 88a bis 88c aufweist.
Die Verstärker 88a&sub1; bis 88c&sub1; sind jeweils mit einem nichtinvertierenden Eingang von Komparatoren 89a bis 89c elektrisch gekoppelt, während die Verstärker 88a&sub2; bis 88c&sub2; jeweils mit einem invertierenden Eingang der Komparatoren 89a bis 89c elektrisch verbunden sind.
Die parallel gerichteten Lichtstrahlen von den Linsen 84a bis 84c müssen durch einen Schlitz 40 in der Codierscheibe 33 sowie durch eine Öffnung in der Phasenplatte 85 hindurchgehen, um jeweils die Linsenpaare 86a bis 86c zu erreichen. Die Öffnungen in der Phasenplatte 85 sind derart angeordnet, daß für jedes Photodioden/Verstärker-Paar 88a bis 88c eine helle Periode an einem Detektor stets einer dunklen Periode an dem anderen Detektor entspricht.
Somit ändert sich der Ausgangszustand der Komparatoren 89a bis 89c, wenn die Differenz der beiden Photoströme, die jeweils von den Photodioden/Verstärker-Paaren 88a bis 88c erzeugt werden, sein Vorzeichen ändert.
Die Phasenplatte 85 ist ferner derart angeordnet, daß der Kanal 87a um 90º phasenverschoben (d. h. um 90º phasenversetzt) in bezug auf den Kanal 87b angeordnet ist, wie dies in dem Zeitsteuerungsdiagramm der Fig. 9a und 9b dargestellt ist. Dieser Phasenunterschied ermöglicht die Bestimmung der Rotationsrichtung durch Beobachtung, bei welchem Kanal es sich um die vorangehende Wellenform handelt.
Bei dem Kanal 87c handelt es sich um einen wahlweise vorgesehenen Kanal zur Ausführung einer Indexfunktion. Genauer gesagt erzeugt der Kanal 87c einen Indeximpuls für jede Umdrehung des Codierrads 33. Dieser Indexkanal kann zum Bestimmen einer einer "Ausgangsposition" entsprechenden Brennpunktlage mit einem bekannten Zählwert verwendet werden, um dadurch einen Ausgangszustand, d. h. einen Anfangszählwert für diesen "relativen" Codierer zu schaffen.
Fig. 10 zeigt ein funktionsmäßiges Blockdiagramm des Systems der vorliegenden Erfindung. Ein von dem Bohrungsprüfgerät 1 aufgenommenes Bild wird an eine Videokamera 103 geliefert, die mit der Betrachtungseinrichtung 37 des Bohrungsprüfgeräts 1 über einen Betrachtungseinrichtungs-Kamera-Adapter 116 gekoppelt ist.
Die Videokamera 103 beinhaltet eine Abbildungseinrichtung 104, wie zum Beispiel eine ladungsgekoppelte Einrichtung (CCD), zum Umwandeln des optischen Signals in ein analoges Videosignal. Das analoge Videosignal wird einem Videoprozessor 108 zugeführt. Der Videoprozessor 108 liefert ein Videosignal des Objekts über eine digitale Videobildaufnahmeeinrichtung 115 zu einem Videoanzeigemonitor 109.
Der Fokussierknopf 38 wird verstellt, bis ein Bild des betrachteten Objekts 110 auf dem Videoanzeigenmonitor 109 scharf erscheint. Bei Objekten, die unter einem Winkel zu der Ebene des optischen Systems des Betrachtungsgeräts ausgerichtet sind, können mehrere Punkte oder Bereiche des Objekts separat fokussiert werden.
Während der Fokussierknopf 38 eingestellt oder verstellt wird, erzeugt der Codierer 30 Impulse, die der winkelmäßigen Drehbewegung des Fokussierknopfes 38 entsprechen. Der Codierer 30 überträgt die Impulse der Kanäle 87a, 87b und 87c zu einem Zähler 101. Der Zähler 101 nimmt eine schrittweise Erhöhung oder Verringerung des Zählwerts vor, und zwar in Abhängigkeit davon, ob der Fokussierknopf 38 im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, um auf diese Weise einen digitalen Zählwert zu bilden.
Ein Anfangszählwert wird generiert, wenn sich die Brennpunktlage in der "Ausgangsposition" befindet, wie dies vorstehend erläutert wird. Der digitale Zählwert wird in einem Puffer 102 gespeichert.
Wenn das betrachtete Objekt 110 auf dem Videoanzeigemonitor 109 scharf bzw. fokussiert erscheint, betätigt der Benutzer einen Schalter 112, wie zum Beispiel eine Taste einer Tastatur, um das Bild "einzufrieren". Bei Betätigung des Schalters 112 wird der in dem Puffer 102 gespeicherte digitale Zählwert ausgelesen und als Eingangssignal an einen Zählwert/Objektentfernungs-Wandler 106 geliefert, und das in der digitalen Videobildaufnahme 115 gespeicherte Videobild wird ausgelesen und an den Videoanzeigemonitor 109 geliefert.
Wenn mehrere Punkte oder Bereiche eines winkeligen Objekts separat fokussiert werden, wie dies vorstehend erwähnt wurde, werden die den separaten Brennpunktlagen entsprechenden Zählwerte gemittelt. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das nach folgend noch ausführlicher erläutert wird, können mehrere Punkte eines Merkmals, wie zum Beispiel eine Delle, separat fokussiert werden, und die gemessenen Punktdistanzen können zum Bestimmen der Tiefe (oder Höhe) des Merkmals oder von Teilen des Merkmals verwendet werden.
Der Zählwert/Objektentfernungs-Wandler 106 kann in Form einer vorbestimmten Formel zum Umwandeln des digitalen Zählwerts in eine Objektentfernung ausgeführt sein.

Zum Beispiel gilt folgendes:

log x = a (log y)² - b(log y) + c
dabei bedeuten:
x = Objektentfernung
y = Codiererzählwert
a, b, c = Konstanten.
Alternativ hierzu kann die Objektentfernung aufgrund des Zählwerts mittels einer Tabelle bestimmt werden, die empirisch ermittelte Daten enthält. Fig. 12 zeigt ein Beispiel einer solchen Tabelle. Bei Verwendung einer Tabelle zum Umwandeln des digitalen Zählwerts in eine Objektentfernung, wird vorzugs weise auch ein Interpolationsprogramm verwendet, um Objektentfernungen zu bestimmen, wenn der digitale Zählwert zwischen Zählwerte fällt, die in der Tabelle aufgelistet sind.
Die von dem Zählwert/Objektentfernungs-Wandler 106 bestimmte Objektentfernung wird als Eingangssignal einem Objektentfernungs/Vergrößerungs-Wandler 107 zugeführt. Ähnlich wie bei dem Zählwert/Objektentfernungs-Wandler 106 kann auch der Objektentfernungs/Vergrößerungs-Wandler 107 als vorbestimmte Formel zum Umwandeln der Objektentfernung in einem Vergrößerungswert ausgeführt sein.
Alternativ hierzu kann der Vergrößerungswert aufgrund der Objektentfernung mittels einer Tabelle und eines wahlweise vorgesehenen Interpolators bestimmt werden. Wie die in Fig. 11 veranschaulichte grafische Darstellung zeigt, besteht eine lineare Beziehung zwischen dem Logarithmus der Vergrößerung und dem Logarithmus der Objektentfernung.
Das System der vorliegenden Erfindung kann auch optische Verzerrungen aufgrund von Bildexzentrizitäten ausgleichen. Alle optischen Systeme beinhalten Verzerrungen. Die Hauptkomponente der optischen Verzerrung für Betrachtungsgeräte resultiert aus Bildern, die nicht durch den zentralen Punkt der Linsen des Linsensystems hindurchgehen.
Genauer gesagt handelt es sich bei einer optischen Verzerrung um eine Funktion der radialen Entfernung von dem Zentrum der Linse bis zu dem Punkt, an dem das Bild hindurchgeht, d. h. die optische Verzerrung ist größer, wenn das Bild durch die Ränder der Linse hindurchgeht, als wenn das Bild durch das Zentrum der Linse hindurchgeht.
Das System gemäß der vorliegenden Erfindung gleicht Schwankungen in der Vergrößerung sowie optische Verzerrungen automa tisch aus, wie dies nachfolgend erläutert wird. Fig. 16a zeigt einen Bildschirm der Anzeige 109, auf dem das Bild des Fehlers 110 dargestellt ist. Da das eigentliche Bild nicht die gesamte Fläche einer Abbildungseinrichtung (wie zum Beispiel einer ladungsgekoppelten Einrichtung 104) der Videokamera 103 ausfüllt, füllt auch das Bild 161 des Betrachtungsgeräts nicht den gesamten Bildschirm der Anzeige 109 aus.
Die Größe des Betrachtungsgerät-Bilds 161 hängt wenigstens zum Teil von der optischen Kopplung des Bilds mit der Abbildungseinrichtung ab. Ein Benutzer kann den Durchmesser des Kreises 162 mittels einer Eingabeeinrichtung, wie zum Beispiel der Cursor-Eingabesteuerung 113, bewegen und verstellen.
Der Benutzer bewegt den Kreis 162 und verstellt ihn derart, daß er mit dem Betrachtungsgerät-Bild 161 auf der Anzeige übereinstimmt (s. Fig. 16b). Ein Prozessor, wie zum Beispiel der Größenprozessor 114, gleicht die Vergrößerung der Kombination aus optischem Betrachtungsgerät 1 und der Videokamera 103 auf der Basis des Durchmessers des Kreises 162 aus.
Fig. 17 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Vergrößerungs-Kompensation. Sobald die Objektentfernung (OD) bestimmt ist, kann die tatsächliche Größe des Durchmessers des das betrachtete Objekt beinhaltenden Feldes (DOS) bestimmt werden, da das Sichtfeld (FOV = 20) bekannt ist. Genauer gesagt beträgt DOS = 2X = 2[OD(tanθ)]. Die Vergrößerung wird dann aufgrund des Verhältnisses des Durchmessers des Kreises 162 (wenn dieser mit dem Betrachtungsgerät-Bild 161 übereinstimmt) gegenüber DOS bestimmt.
Fig. 16a zeigt ferner ein Fadenkreuz 164, das von einem Benutzer mittels einer Eingabevorrichtung, wie zum Beispiel der Cursor-Eingabesteuerung 113, bewegt werden kann. Wie in Fig. 16b gezeigt ist, kann der Benutzer das Fadenkreuz 164 im Zen trum des Betrachtungsgerät-Bildes 161 positionieren, so daß eine Exzentrizität "E" von dem Zentrum 165 der Anzeige bestimmt werden kann. Prozessoren, wie zum Beispiel der Größenprozessor 114, können optische Verzerrungen aufgrund der Exzentrizität "E" ausgleichen.
Die Vergrößerungs-Kompensation sowie die Kompensation von optischer Verzerrung können separat vorgesehen werden. Wenn jedoch beide vorgesehen sind, liefert die vorliegende Erfindung vorzugsweise eine Kombination des Fadenkreuzes 164 in mit dem Zentrum des Kreises 162 übereinstimmender Weise, so daß die Bildgröße und die Exzentrizität aufgrund einer einzigen Benutzereingabe bestimmt werden können.
Alternativ hierzu kann ein von einem Prozessor ausgeführtes Programm die Größe des Betrachtungsgerät-Bildes 161 sowie die Exzentrizität "E" automatisch bestimmen, ohne daß eine Benutzereingabe erforderlich ist. Das optische Betrachtungsgerät kann auch einen Festspeicher zum Mitteilen von gespeicherter Kalibrierinformation zusammen mit anderen Komponenten des Systems aufweisen.
Im folgenden wird erneut auf Fig. 19 Bezug genommen; ein Benutzer betätigt nach der Betätigung des Bildeinfrierschalters 112 eine Cursorsteuerungs-Eingabeeinrichtung 110, wie zum Beispiel eine Tastatur, eine Rollkugel oder einen Joystick, um wenigstens zwei Fadenkreuze 111a und 111b an Enden des angezeigten Objekts 110 zu positionieren. Die Koordinatenpositionen der Fadenkreuze lila und 111b sowie der Vergrößerungsfaktor werden als Eingabewerte in einen Größenprozessor 114 eingegeben, der die Länge oder Größe des angezeigten Objekts 110 berechnet.
Alternativ hierzu kann ein in dem optischen Betrachtungsgerät vorgesehenes Gitter (oder eine Markierung) dazu verwendet wer den, skalierte Bildinformation für den Benutzer zu liefern. Diese skalierte Bildinformation kann manuell in den Größenprozessor 114 eingegeben werden.
Alternativ hierzu kann eine auf Millionstel einstellbare Markierungseinrichtung für Markierungszwecke verwendet werden und mit einem Codierer gekoppelt werden, um direkt Eingangssignale für den Prozessor zu liefern.
Die Displayeinrichtung bzw. Anzeige 109 kann wahlweise auch die derzeitige Objektentfernung anzeigen. Wie nachfolgend noch ausführlicher beschrieben wird, ist eine Anzeige der derzeitigen, fokussierten Objektdistanz zur Ausführung von Tiefen- und Höhenmessungen von Nutzen.
Die Bedienung des Systems der vorliegenden Erfindung ist nahezu narrensicher. Außerdem vermindert das System gemäß der vorliegenden Erfindung ein Ermüden der Augen. Wie in dem Flußdiagramm der Fig. 13 dargestellt ist, braucht der Benutzer lediglich drei einfache Schritte auszuführen.
Als erstes muß der Benutzer den Brennpunkt einstellen, bis das Bild auf dem Anzeigeschirm fokussiert ist, wie dies im Schritt 131 dargestellt ist. Wie in dem Schritt 132 dargestellt ist, friert der Benutzer als nächstes das fokussierte Bild ein. Schließlich positioniert der Benutzer ein erstes und ein zweites Fadenkreuz auf dem angezeigten Objekt, wie dies im Schritt 133 dargestellt ist.
Außerdem muß der Benutzer bei dem nachfolgend beschriebenen, automatisch fokussierenden System nur den Schritt 133 ausführen. Somit braucht ein Benutzer lediglich drei einfache Schritte (oder einen einfachen Schritt) auszuführen. Dies eliminiert viele Fehler, die sonst durch den Benutzer eingebracht werden könnten.
Vorstehend handelt es sich um eine examplarische Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann die speziellen, vorgeschlagenen Komponenten modifizieren, ohne daß er den Umfang der Erfindung verläßt, wie er in den Ansprüchen angegeben ist.
Zum Beispiel kann ein linearer optischer Coderier zum Liefern der Position des Okularpositionierstifts 36 anstatt der Codierscheibe 33 sowie deren optischen Aufnehmer 30 verwendet werden. Bei einem solchen linearen Codierer könnte es sich um einen Streifen aus Kunststoff oder Metall mit daran vorgesehenen, gleichmäßig voneinander beabstandeten Schlitzen handeln, der mit dem Okularpositionierstift 36 mechanisch gekoppelt ist.
Ein optischer Sensor kann zum Zählen von hellen und dunklen Bereichen verwendet werden, wenn der Kunststoff- oder Metallstreifen relativ zu diesem bewegt wird. Anstatt von Schlitzen können auch reflektierende und nicht-reflektierende Bereiche verwendet werden.
Außerdem kann ein elektrischer Sensons, wie zum Beispiel ein einstellbarer Widerstand, oder ein magnetischer Sensor, wie zum Beispiel ein Hall-Sensor, zum Bestimmen der Position der Okularlinse verwendet werden. Optische Codierer sind jedoch bevorzugt, da sie hohe Auflösung in einer relativ kleinen Baueinheit schaffen.
In ähnlicher Weise kann der Fokussierzylinder 39 mit der Codierscheibennabe 34 mittels Zahnrädern mechanisch gekoppelt sein, anstatt direkt mit dieser verbunden zu sein. Anstatt der Verwendung einer Codierscheibe 33 mit Schlitzen 40 kann auch eine reflektierende Codierscheibe mit Vertiefungen verwendet werden.
In ähnlicher Weise kann anstatt einer schrittweisen Erhöhung und/oder Verringerung eines Zählwerts von Schlitzen (relativer Codierer) die Codierscheibe auch codierte winkelmäßige Positionsinformation beinhalten (absoluter Codierer).
Anstatt eines starren Bohrungsprüfgeräts kann auch ein Lichtleiter-Betrachtungsgerät oder ein Video-Betrachtungsgerät verwendet werden. Wie in Fig. 14a gezeigt ist, beinhaltet das Lichtleiter-Betrachtungsgerät 100 ein flexibles Einführungsrohr 141, das ein Fokussierlinsensystem 142 an seinem distalen Ende aufweist. Ein kohärentes Faserbündel 143 überträgt das Bild zu dem proximalen Ende des Einführungsrohrs, wo ein Linsensystem (nicht gezeigt) ein Bild an einen Betrachter liefert.
Das proximale Ende des Lichtleiter-Betrachtungsgeräts 114 beinhaltet einen Betrachtungsgerätkörper 144 mit einer Brennpunktsteuerung 145. Die Brennpunktsteuerung 145 kann eine Linse des Fokussierlinsensystems 142 linear bewegen, und zwar mittels eines Steuerkabels 146, wie es in Fig. 14a gezeigt ist, oder mittels einer mit feiner Teilung arbeitenden flexiblen Schraube bzw. Gewindespindel 147 und einer Mutter 148, wie dies in Fig. 14b gezeigt ist.
Wie in Fig. 14c gezeigt ist, kann der Codierer 149 an dem proximalen Ende des Lichtleiter-Betrachtungsgeräts 140 angeordnet sein, um die Bewegung der Brennpunktsteuerung 145 zu codieren. Wie in Fig. 14a und 14b gezeigt ist, handelt es sich bei dem Codierer jedoch vorzugsweise um einen linearen Codierer, der an dem distalen Ende des Lichtleiter-Betrachtungsgerät 140 angeordnet ist, um die lineare Bewegung der Linse zu codieren.
Durch Anordnen des Codierers an dem distalen Ende werden mechanische Positionsfehler aufgrund von Biegung oder Dehnung in dem Fokussiersteuerkabel 146 oder aufgrund von Spiel in der flexiblen Gewindespindel 147 eliminiert.
Wie in den Fig. 15a und 15b gezeigt ist, beinhaltet ein Video- Betrachtungsgerät 150 eine Videokamera 151, wie zum Beispiel eine ladungsgekoppelte Einrichtung, die einem Fokussierlinsensystem 152 an dem distalen Ende eines flexiblen Einführungsrohrs 153 benachbart angeordnet ist. Die Videokamera 151 wandelt das Bild in ein Videosignal um, das mittels eines Videosignalkabels 154 zu dem proximalen Ende des Video-Betrachtungsgeräts geleitet wird. Bei einem Video-Betrachtungsgerät ist somit keine Betrachtungseinrichtung erforderlich.
Wie vorstehend unter Bezugnahme auf das Lichtleiter-Betrachtungsgerät 140 erläutert wurde, kann eine Brennpunktsteuerung 155, die sich an dem proximalen Ende des Video-Betrachtungsgeräts 150 befindet, eine Linse des Fokussierlinsensystems 152 mittels eines Fokussiersteuerkabels 156 (vgl. Fig. 15a) oder mittels einer flexiblen Gewindespindel 157 und einer Mutter 158 (vgl. Fig. 15b) linear bewegen.
Wie ebenfalls in bezug auf das Lichtleiter-Betrachtungsgerät 140 vorstehend erläutert wurde, kann sich der Codierer 159 auch an dem proximalen Ende des Video-Betrachtungsgeräts befinden, um die Bewegung der Brennpunktsteuerung 155 zu codieren (vgl. Fig. 15c), jedoch handelt es sich vorzugsweise um einen linearen Codierer 149, der an dem distalen Ende des Video-Betrachtungsgeräts vorgesehen ist, um die lineare Bewegung der Linse zu codieren (vgl. Fig. 15a und 15b).
Sowohl bei dem Video-Betrachtungsgerät als auch bei dem Lichtleiter-Betrachtungsgerät kann bei Verwendung einer mechanischen Einrichtung zum Koppeln der Fokussiersteuerung mit der wenigstens einen Linse mechanisches Spiel bei der mechanischen Einrichtung durch einen Prozessor kompensiert werden.
Bei Verwendung eines Lichtleiter-Betrachtungsgeräts 140 ist das System ähnlich dem System der Fig. 10, das ein Bohrungsprüfgerät als optisches Betrachtungsgerät 1 verwendet. Wenn jedoch ein Video-Betrachtungsgerät 150 verwendet wird, sind der Betrachtungseinrichtungs-Kamera-Adapter 116 sowie die extern angebrachte Videokamera 103 mit ladungsgekoppelter Einrichtung 104 nicht erforderlich, da das Video-Betrachtungsgerät 150 eine interne Videokamera, wie zum Beispiel eine ladungsgekoppelte Einrichtung 151, beinhaltet.
Bei alternativen Ausführungsformen von Betrachtungsgeräten und Systemen der vorliegenden Erfindung kann eine automatische Fokussiereinrichtung zusätzlich zu oder anstelle von dem Fokussierknopf 38 des Bohrungsprüfgeräts oder der Fokussiersteuerungen 145 und 155 des Lichtleiter-Betrachtungsgeräts 140 bzw. des Video-Betrachtungsgeräts 150 verwendet werden.
Wie in den Fig. 19a und 19b gezeigt, ist ein Schrittmotor 191 mit mindestens einer Linse eines Fokussierlinsensystems 192 mechanisch gekoppelt, und zwar beispielsweise mittels eines Brennpunktsteuerkabels oder einer flexiblen Gewindespindel mit feiner Teilung. Ein optischer Codierer 193 kann ebenfalls mit dem Schrittmotor 191 (vgl. Fig. 19a) oder mit der mindestens einen Linse des Fokussierlinsensystems 192 (vgl. Fig. 19b) mechanisch gekoppelt sein.
Das Objektbild wird mittels eines von einem Prozessor 194 ausgeführten Programms automatisch fokussiert. Fig. 18 zeigt ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Programms zum automatischen Fokussieren. In einem Schritt 181 wählt der Benutzer eine interessierenden Punkt über eine Eingabeeinrichtung aus, wie zum Beispiel die Cursor-Eingabesteuerung 113. Alternativ hierzu kann der Prozessor 194 einen interessierenden Punkt unter Verwendung eines bekannten Fehlerdetektions-Alogrithmus auswählen.
Als nächstes wird in einem Schritt 182 ein Fenster um den interessierenden Punkt herum gebildet. Das Fenster kann vorbestimmt sein oder kann von dem Benutzer definiert werden. Das Fenster ist vorzugsweise ein Rechteck, kann jedoch auch eine andere geometrische Formgebung aufweisen.
Zum Beispiel kann der Prozessor 194 zentriert um den interessierenden Punkt herum einen Kasten mit einer Größe von 10 Pixel · 10 Pixel definieren. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Größe des Fensters zur Reduzierung der Verarbeitungszeit begrenzt.
In Schritten 183 und 184 wird der Schrittmotor in einer Ausgangsposition positioniert, und es erfolgt ein Abtasten des Bilds in dem Fenster. In einem Schritt 185 wird der Kontrast des abgetasteten Bildes in bekannter Weise bestimmt. Zum Beispiel kann der Durchschnitt der Größe der Differenzen in der Helligkeit zwischen benachbarten Pixeln bestimmt werden.
Je höher der Durchschnitt, desto höher ist der Bildkontrast. Alternativ hierzu kann eine rasche Fourier-Transformation (FFT) des Bilds bestimmt werden. Je höher die Frequenz, desto komplexer ist das Bild und desto höher ist der Kontrast.
In einem Schritt 186 wird festgestellt, ob der in Schritt 185 festgestellte Kontrast ein Maximum ist. Da der maximale Kontrastwert dem "besten Brennpunkt" entspricht, wird in einem Schritt 187 der derzeitigen Schrittmotorposition ein Brennpunktpositionswert zugeordnet, wenn der Kontrast maximal ist.
Die Schritte 184 bis 187 werden wiederholt, bis ein Bereich von Schrittmotorpositionen vollständig ist, wie dies durch die Schritte 188 und 189 dargestellt ist. Wenn ein maximaler Kontrast in mehr als einer Schrittmotorposition festgestellt wird, wird der beste Brennpunkt ausgewählt, und zwar entweder (i) von einer maximalen Kontrastposition in unmittelbarer Nähe zu der Brennpunktseite, (ii) von einer maximalen Kontrastposition, die am weitesten von der Brennpunktseite entfernt ist, oder (iii) aufgrund eines Durchschnitts der maximalen Kontrastpositionen. Bei einem Ausführungsbeispiel mit automatischer Fokussierung und Fehlerdetektierprozeß ist keine Anzeige erforderlich.
Wie aus Fig. 19a erkennbar, ist es möglich, den Codierer 193 zu eliminieren und die Brennpunktposition aufgrund der Anzahl von Schritten vornehmen, die von dem Schrittmotor 191 ausgeführt werden. Dies wäre besonders praktisch, wenn man einen kleinen Schrittmotor an dem distalen Ende des Einführungsrohrs anordnen könnte.
Wenn sich der Schrittmotor 191 jedoch an dem proximalen Ende des Betrachtungsgeräts befindet, wie dies in Fig. 19b der Fall ist, ist vorzugsweise ein Codierer 193 an dem distalen Ende des Einführungsrohrs vorgesehen, um jegliche Fehler aufgrund eines mechanischen "Spiels" in der mechanischen Kopplung zwischen dem Schrittmotor 191 und der wenigstens einen Linse des Fokussierlinsensystems 192 zu eliminieren. Alternativ hierzu kann ein Benutzer prozessorgeführte manuelle Einstellungen vornehmen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Fokussierknopf (oder eine Fokussiersteuerung) an dem Schrittmotor in einem "Hybrid"-Fokussiervorgang verwendet. Ein Benutzer verwendet den Fokussierknopf zuerst zum groben Fokussieren des Bildes.
Der Schrittmotor führt dann unter der Steuerung des Prozessors, wie sie in bezug auf Fig. 18 beschrieben worden ist, eine feine Bildfokussierung durch. Ein solcher "Hybrid"-Betrieb ist von Vorteil, da der Bereich von Schrittmotorposi tionen, an denen das Bild abgetastet und analysiert werden muß, vermindert ist.
Das System der vorliegenden Erfindung kann auch zum Messen der Tiefe und der Höhe verwendet werden, indem die Differenz zwischen den gemessenen Objektentfernungen von zwei Punkten bestimmt wird. Zum Beispiel kann die Tiefe einer Mulde oder Delle mit rundem Boden in der Oberfläche einer Turbinenschaufel bestimmt werden, indem 1) die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zuerst auf die Oberfläche der Schaufel fokussiert und die Objektentfernung bestimmt wird, 2) die gemessene Objektentfernung zu der Schaufeloberfläche aufgezeichnet wird, 3) eine Fokussierung auf den Boden der Delle vorgenommen wird und die Objektentfernung bestimmt wird, und 4) die aufgezeichnete Objektentfernung von der Schaufeloberfläche von der Objektentfernung zu dem Dellenboden subtrahiert wird, woraus sich die Tiefe der Delle ergibt.
Der vorstehend beschriebene Vorgang kann unter Verwendung eines beliebigen der bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung manuell ausgeführt werden. Zum Beispiel kann bei der Ausführungsform der Fig. 10 der Benutzer die Objektentfernungen, die auf der Anzeige 109 für die zwei Punkte von Interesse (d. h. die Schaufeloberfläche und den Dellenboden) angezeigt werden, notieren sowie die beiden Beträge subtrahieren, um die Tiefe der Delle zu bestimmen.
Das System der vorliegenden Erfindung kann verschiedene Merkmale zum Vereinfachen des Tiefen-/Höhenmessungsvorgangs vorsehen. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 10 kann beispielsweise derart angepaßt werden, daß sich solche Merkmale durch Modifizieren der zum Programmieren des Systems verwendeten Software ergeben.
Sobald der Benutzer das System zum Fokussieren auf den ersten Punkt, z. B. die Schaufeloberfläche, veranlaßt und er den Bildeinfrierschalter 112 betätigt hat, wird die Objektentfernung, wie sie durch den Zählwert/Objektentfernungs-Wandler 106 bestimmt worden ist, zum Beispiel durch die Software in einem Register oder einem Speicherplatz (nicht gezeigt) vorübergehend gespeichert.
Wenn der Benutzer das System zum Fokussieren auf den zweiten Punkt, z. B. den Dellenboden, veranlaßt und den Bildeinfrierschalter 112 betätigt, subtrahiert das System die gespeicherte Objektentfernung von der derzeitigen Objektentfernung, wie sie durch den Wandler 106 generiert worden ist, und zeigt die Differenz auf der Anzeige 109 an.
Nachdem der erste Punkt fokussiert und gemessen worden ist, kann während der erneuten Fokussierung des Systems und vor dem erneuten Betätigen des Bildeinfrierschalters 112 das System wahlweise die derzeitige Objektentfernung, die gespeicherte Objektentfernung des zuvor eingefrorenen Bilds und/oder die Differenz zwischen den beiden Objektentfernungen anzeigen.
Durch Aktualisierung und Anzeige der derzeitigen Objektentfernung und/oder der Differenz zwischen der derzeitigen Objektentfernung und der gespeicherten Objektentfernung in Echtzeit kann der Benutzer den niedrigsten Punkt (oder den höchsten Punkt) des Merkmals aufspüren, dessen Tiefe (oder Höhe) bestimmt werden soll.
Der Vorgang zum Bestimmen der Tiefe oder Höhe eines Merkmals kann mit dem System gemäß der vorliegenden Erfindung sogar noch weiter automatisiert werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann zum Beispiel, nachdem der Benutzer das Betrachtungsgerät auf ein Merkmal gerichtet hat, dessen Tiefe oder Höhe bestimmt werden soll, das System dann den Tiefen- /Höhenmessungsvorgang automatisch ausführen.
Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen automatischen Fokussiervorgangs können eine Fokussierung des Systems sowie ein Bestimmen der Objektentfernung eines jeden einer vorbestimmten Anzahl von gleichmäßig verteilten Punkten innerhalb eines das Merkmal umgebenden Fensters mit vorbestimmter Größe durchgeführt werden.
Sobald alle Punkte innerhalb des Fensters gemessen worden sind, bestimmt das System dann den minimalen und den maximalen Wert der Vielzahl der gemessenen Objektentfernungen. Das System bestimmt dann die Differenz zwischen dem minimalen und dem maximalen Objektentfernungwert, und diese Differenz ist repräsentativ für die Tiefe oder Höhe des Merkmals.

Claims

1. System zum Bestimmen einer Dimension eines Details, wobei das System folgendes aufweist:

a) ein optisches Betrachtungsgerät (1; 140; 150) zum Erfassen eines Bildes des Details, wobei das optische Betrachtungsgerät folgendes aufweist:

i) eine Fokussiereinrichtung (38; 145; 155), die ein Linsensystem (35; 142; 152) aufweist, wobei mindestens eine Linse des Linsensystems (35; 142; 152) innerhalb des optischen Betrachtungsgeräts (1; 140; 150) entlang seiner optischen Achse linear bewegbar ist, um die Brennpunktlage des Bildes einzustellen;

dadurch gekennzeichnet,

daß das optische Betrachtungsgerät ferner folgendes aufweist:

ii) eine Einrichtung (30; 33; 149; 159) zum Erzeugen eines Brennpunktlagesignals aufgrund einer Position der Linse der Fokussiereinrichtung (38; 145; 155);

und daß das System ferner folgendes aufweist:

b) einen Prozessor (105), wobei der Prozessor so angeordnet ist, daß er

i) das Brennpunktlagesignal in ein Objektentfernungssignal umwandelt und daß er

ii) eine Dimension des Details aufgrund des Objektentfernungssignals bestimmt.

2. System nach Anspruch 1, das ferner eine Bildskaliereinrichtung aufweist, um eine skalierte Bildgröße zu liefern, und wobei der Prozessor folgendes aufweist:

i) einen ersten Wandler (106) zum Umwandeln des Brennpunktlagesignals in ein Objektentfernungssignal; und

ii) einen zweiten Wandler (107) zum Umwandeln des Objektentfernungssignals von dem ersten Wandler (106) in ein Vergrößerungssignal;

wobei der Prozessor so ausgebildet ist, daß er eine Dimension eines Details aufgrund der skalierten Bildgröße und aufgrund des aus dem Objektentfernungssignal resultierenden Vergrößerungssignals bestimmt.

3. System nach Anspruch 2, wobei der Prozessor ferner eine Einrichtung zum Ausgleichen des Vergrößerungssignals aufweist.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Betrachtungsgerät (1) ferner einen Bild/Video-Wandler zum Erzeugen eines Videosignals des Details aus dem Bild des Details aufweist, wobei die Brennpunktlage des Bildes mit der Fokussiereinrichtung eingestellt wird.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das optische Betrachtungsgerät (1) ferner eine Betrachtungseinrichtung (37) aufweist, um das Bild des Details zu einer Ebene außerhalb des optischen Betrachtungsgeräts (1) weiterzuleiten, und wobei das System ferner eine Videokamera (103) aufweist, die mit der Betrachtungseinrichtung des optischen Betrachtungsgeräts optisch gekoppelt ist und ein Videosignal des Details aus dem Bild des Details erzeugt.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Prozessor ferner eine Einrichtung zum Ausgleichen einer optischen Verzerrung aufweist.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (30; 33; 149; 159) zum Erzeugen eines Brennpunktlagesignals ein Codierer ist.

8. System nach Anspruch 7, wobei der Codierer ein absoluter Codierer ist.

9. System nach Anspruch 7, wobei der Codierer ein relativer Codierer ist.

10. System nach Anspruch 9, wobei der relative Codierer so ausgebildet ist, daß er einen Anfangszählwert aufgrund von Einstellungen der Fokussiereinrichtung (38; 145; 155) schrittweise erhöht und verringert.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangszählwert vorgegeben wird, wenn die Fokussiereinrichtung (38; 145; 155) in einer vorbestimmten Ausgangsposition angeordnet ist.

12. System nach Anspruch 7, wobei der Codierer ein optischer Codierer ist, der folgendes aufweist:

- eine Codierscheibe (33), die um ihren Umfang herum angeordnete Öffnungen (40) hat, wobei die Codierscheibe (33) mit der Fokussiereinrichtung (38) mechanisch derart gekoppelt ist, daß sie sich dreht, wenn die Fokussiereinrichtung (38) eingestellt wird;

- eine Lichtquelle (83), um Licht auf eine erste Seite der Codierscheibe (33) zu richten; und

- eine Detektiereinrichtung (30), die an einer zweiten Seite der Codierscheibe (33) angeordnet ist, wobei die Detektiereinrichtung (30) so ausgebildet ist, daß sie einen Impuls erzeugt, wenn Licht von der Lichtquelle (83) durch eine Öffnung (40) der Codierscheibe (33) hindurchtritt,

wobei von dem Codierer erzeugte Impulse relativen Einstellungen der Fokussiereinrichtung (38) entsprechen.

13. System nach Anspruch 7, wobei der Codierer ein optischer Codierer ist, der folgendes aufweist:

- eine Codierscheibe, die alternierende reflektierende und nicht-reflektierende Oberflächen hat, die um ihren Umfang herum angeordnet sind, wobei die Codierscheibe mit der Fokussiereinrichtung mechanisch derart gekoppelt ist, daß sie sich dreht, wenn die Fokussiereinrichtung eingestellt wird;

- eine Lichtquelle, um Licht auf die Codierscheibe zu richten; und

- eine Detektiereinrichtung zum Erzeugen eines Impulses, wenn Licht von der Lichtquelle von der Codierscheibe reflektiert wird,

wobei die von dem Codierer erzeugten Impulse relativen Einstellungen der Fokussiereinrichtung entsprechen.

14. System nach Anspruch 7, wobei der Codierer ein optischer Codierer ist, der folgendes aufweist:

- einen linearen Codierstreifen, der eine Vielzahl von beabstandeten Öffnungen hat, wobei der lineare Codierstreifen mit der Fokussiereinrichtung mechanisch derart gekoppelt ist, daß er linear bewegt wird, wenn die Fokussiereinrichtung eingestellt wird;

- eine Lichtquelle, um Licht auf eine erste Seite des linearen Codierstreifens zu richten; und

- eine Detektiereinrichtung, die an einer zweiten Seite des linearen Codierstreifens angeordnet ist, wobei die Detektiereinrichtung so angeordnet ist, daß sie einen Impuls erzeugt, wenn Licht von der Lichtquelle durch eine Öffnung des linearen Codierstreifens hindurchtritt,

wobei von dem Codierer erzeugte Impulse relativen Einstellungen der Fokussiereinrichtung entsprechen.

15. System nach Anspruch 7, wobei der Codierer ein optischer Codierer ist, der folgendes aufweist:

- einen linearen Codierstreifen, der alternierend reflektierende und nicht-reflektierende Oberflächen hat, die auf einer Oberfläche angeordnet sind, wobei der lineare Codierstreifen mit der Fokussiereinrichtung mechanisch derart gekoppelt ist, daß er linear bewegt wird, wenn die Fokussiereinrichtung eingestellt wird;

- eine Lichtquelle, um Licht auf den linearen Codierstreifen zu richten; und

- eine Detektiereinrichtung zum Erzeugen eines Impulses, wenn Licht von der Lichtquelle von dem linearen Codierstreifen reflektiert wird,

16. System nach Anspruch 7, wobei der Codierer ein elektrischer Codierer ist, der elektrische Signale aufgrund von Einstellungen der Fokussiereinrichtung erzeugt.

17. System nach Anspruch 16, wobei der elektrische Codierer ein einstellbarer Widerstand ist.

18. System nach Anspruch 7, wobei der Codierer ein magnetischer Codierer ist, der magnetische Signale aufgrund von Einstellungen der Fokussiereinrichtung erzeugt.

19. System nach Anspruch 1, wobei die Fokussiereinrichtung folgendes aufweist:

a) ein Fokussierlinsensystem (35; 142; 152), das mindestens eine bewegbare Linse aufweist, und

b) eine Einrichtung zum linearen Bewegen der mindestens einen bewegbaren Linse des Fokussierlinsensystems.

20. System nach Anspruch 19, wobei die Einrichtung zum linearen Bewegen ein drehbarer Fokussierring (38; 145; 155) ist.

21. System nach Anspruch 19,

wobei die Einrichtung zum linearen Bewegen ein steuerbarer Schrittmotor (191) ist, wobei der steuerbare Schrittmotor (191) von dem Prozessor (194) so gesteuert wird, daß er die mindestens eine bewegbare Linse des Fokussierlinsensystems (192) durch einen Bereich von Positionen positioniert, und

wobei der Prozessor (194) einen Kontrastwert aufgrund des Videosignals des Details für jeden Bereich von Positionen des steuerbaren Schrittmotors (191) bestimmt.

22. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Betrachtungsgerät (140; 150) ein distales Ende und ein proximales Ende hat, wobei die Fokussiereinrichtung (145; 155) an dem proximalen Ende und die Einrichtung (149, 159) zur Angabe einer Brennpunktlage an dem distalen Ende angeordnet ist.

23. System nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei das optische Betrachtungsgerät (140; 150) ein distales Ende und ein proximales Ende hat, wobei die Fokussiereinrichtung (145; 155) und die Einrichtung (149; 159) zur Angabe einer Brennpunktlage an dem proximalen Ende angeordnet ist.

24. System nach Anspruch 4, wobei der Bild/Video-Wandler (151) eine ladungsgekoppelte Einrichtung ist.

25. System nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei das optische Betrachtungsgerät ein starres Bohrungsprüfgerät ist.

26. System nach Anspruch 25, wobei das starre Bohrungsprüfgerät ein Schwingprismen- Bohrungsprüfgerät ist.

27. System nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei das optische Betrachtungsgerät ein Lichtleiter-Betrachtungsgerät ist.

28. System nach Anspruch 5, wobei die Videokamera (103) eine ladungsgekoppelte Einrichtung (104) aufweist, die das Bild des Details in das Videosignal des Details umwandelt.

29. System nach Anspruch 5, das ferner eine Eingabeeinrichtung aufweist, die mit dem Prozessor gekoppelt ist, wobei die Bildskaliereinrichtung eine Strichplatte ist, die in dem optischen Betrachtungsgerät angeordnet ist, und wobei die bestimmte skalierte Bildgröße auf einer Benutzereingabe in die Eingabeeinrichtung basiert.

30. System nach einem der Ansprüche 2 bis 29, wobei die Bildskaliereinrichtung folgendes aufweist:

i) eine Displayeinrichtung (109), um eine Anzeige des Details aufgrund des Videosignals des Details zu liefern; und

ii) eine Detailmarkierungseinrichtung zum Anbringen von wenigstens zwei Markierungen (111a, 111b), die je weils einen Koordinatenwert haben, auf der Displayeinrichtung (109),

wobei die skalierte Bildgröße auf den Koordinatenwerten der wenigstens zwei Markierungen (111a, 111b) basiert.

31. System nach Anspruch 1, wobei die Dimension des Details wenigstens eine Dimension von einer Tiefe und einer Höhe des Details aufweist.

32. System nach Anspruch 31, wobei der Prozessor folgendes aufweist:

i) einen Wandler zum Umwandeln der Brennpunktlage in ein Objektentfernungssignal; und

ii) eine Einrichtung zum Bestimmen der Dimension des Details durch Bestimmen der Differenz zwischen einem ersten Objektentfernungssignal und einem zweiten Objektentfernungssignal.