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HINTERGRUND
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Bohrungsinspektionssysteme und ganz besonders Bohrungsabbildungssysteme.
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Beschreibung des Standes der Technik Verschiedene Bohrungsabbildungssysteme sind bekannt, die eine Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung zum Abbilden des Inneren einer Bohrung, beispielsweise in einer Zylinderbohrung eines Motors, verwenden. Beispielhafte Bohrungsinspektionssysteme sind in den
US-Patenten mit den Nrn. 4,849,626 (das 626-Patent);
7,636,204 (das 204-Patent);
8,334,971 (das 971-Patent);
8,570,505 (das 505-Patent) und der US-Patentanmeldung Nr. 2013/0112881 offenbart, die jeweils hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen sind. Derartige Bohrungsabbildungssysteme können dazu konfiguriert sein, eine 360-Grad-Ansicht (auch als Panoramaansicht und/oder Panoramabild bezeichnet) des Inneren einer Bohrung bereitzustellen, um auf Passfehler oder Oberflächendefekte zu inspizieren. Einige derartige Systeme verwenden eine hochauflösende Optik. In jedem Fall können derartige Systeme eine Signalverarbeitung verwenden, um Bildpixelsignale oder Detektorelementsignale auf Koordinaten innerhalb des Inneren der Bohrung abzubilden. In einigen derartigen Systemen kann ein Panoramabild eines ungefähr ringförmigen Teils einer Bohrung auf ein zweidimensionales (2D) rechteckiges Abbildungsarray in einem kreisförmigen Muster, das der Form des ringförmigen Teils entspricht, projiziert werden. Die kreisförmigen oder ringförmigen Bildpixel können dann einen verhältnismäßig großen Satz von Pixeln (z. B. ein Großteil des rechteckigen Abbildungsarrays) umspannen, während tatsächlich nur ein verhältnismäßig kleiner Anteil dieses Satzes von Pixeln (z. B. ein ringförmiges Bildmuster innerhalb des rechteckigen Abbildungsarrays) abgebildet wird. Ein typisches Abbildungsarray muss jeden Pixel auslesen, der von dem kreisförmigen oder ringförmigen Bohrungsbild umspannt wird, selbst wenn Pixel außerhalb des ringförmigen Bildmusters (z. B. dazu innerhalb und außerhalb) für eine Inspektion der Bohrung nicht relevant sind. Darüber hinaus müssen derartige Systeme möglicherweise eine Bildabbildungsberechnung nutzen, um Pixel aus dem ringförmigen Bildmuster auf die Oberfläche der Bohrung abzubilden. Das kontinuierliche Auslesen von irrelevanten Pixeln und das Abbilden von relevanten Pixeln nimmt Zeit in Anspruch, was die Geschwindigkeit begrenzt, mit der ein derartiges Bohrungsabbildungssystem dazu verwendet werden kann, um eine Bohrung zu inspizieren. Einige Systeme (z. B. wie in dem 626-Patent offenbart) haben Faseroptik-Abbildungswege verwendet und jede Faser zu einem entsprechenden Fotodetektor geleitet. Konfigurationen derartiger System haben jedoch auch Geschwindigkeitsbegrenzungen sowie Abbildungsbegrenzungen eingeführt, die eine begrenzte Auflösung und/oder Vielseitigkeit in Bezug auf den Bereich von Bohrungsgrößen haben, die unter Verwendung eines gegebenen Systems inspiziert werden können.
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Ein hochauflösendes Hochgeschwindigkeitsbohrungsabbildungssystem von Messtechnikqualität, das die oben umrissenen Probleme löst, wäre wünschenswert.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein Bohrungsabbildungssystem wird offenbart, das eine Fotodetektorkonfiguration und eine erste Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung umfasst, die dazu konfiguriert ist, Bildlicht, das von einer Bildzone auf einer Bohrungsoberfläche stammt, an die Fotodetektorkonfiguration zu übertragen. Die Fotodetektorkonfiguration umfasst eine erste gewölbte Fotodetektoranordnung, die in einer Ebene gewölbt ist, die quer zu einer Achsrichtung der Bohrung ausgerichtet ist. Die erste gewölbte Fotodetektoranordnung umfasst mindestens ein erstes Abbildungsarray, das Bildlicht entlang einer Richtung, die quer zu der Achsrichtung ist, empfängt. In verschiedenen Ausführungsformen stellt ein derartiges System eine hohe Durchsatzrate für aussagefähige Bilddaten und eine Abbildungskonfiguration von Messtechnikqualität bereit, die in Bezug auf das Messen eines Bereichs von Bohrungsgrößen mit hoher Auflösung vielseitig ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann die verhältnismäßig verlängerte Bilddimension 360 Grad um die Bohrung abdecken. In verschiedenen Ausführungsformen ermöglichen die hierin offenbarten Merkmale, dass die Bildzone axial entlang der Bohrung mit einer beispiellosen Rate gescannt wird, ohne dass eine komplexe Bildverarbeitung zum Abbilden von Pixelinformationen erforderlich ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Die vorstehenden Gesichtspunkte und viele der dazugehörigen Vorteile werden einfacher anerkannt werden, wenn dieselben durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden, wobei in den Zeichnungen:
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1 ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform eines Bohrungsabbildungssystems gemäß hierin offenbarten Prinzipien ist;
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die 2A und 2B schematische Diagramme einer ersten Ausführungsform einer Linsenanordnung sind, die in einem Bohrungsabbildungssystems gemäß hierin offenbarten Prinzipien verwendbar ist;
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3 ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform eines Bohrungsabbildungssystems gemäß hierin offenbarten Prinzipien ist;
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4 ein schematisches Diagramm einer dritten Ausführungsform eines Bohrungsabbildungssystems gemäß hierin offenbarten Prinzipien ist und
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5 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Fotodetektors ist, der in verschiedenen Ausführungsformen eines Bohrungsabbildungssystems gemäß hierin offenbarten Prinzipien verwendbar ist, wobei der Fotodetektor eine erste und eine zweite gewölbte Fotodetektoranordnung umfasst.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 ist ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform eines Bohrungsabbildungssystems 100 gemäß hierin offenbarten Prinzipien. In dieser Ausführungsform umfasst das Bohrungsabbildungssystem 100 eine Fotodetektorkonfiguration 110 (hierin auch einfach als ein Fotodetektor bezeichnet) und eine Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 120, die auf einem gewölbten Träger 170 getragen werden, der sie in einer stabilen Form hält. Das Bohrungsabbildungssystem 100 kann auf einem schematisch dargestellten Gehäuseelement 180 getragen werden, das alles im korrekten Verhältnis hält und das an einem Bewegungssteuerungssystem oder dergleichen zum Scannen des Bohrungsabbildungssystems 100 entlang einer axialen Scan-Richtung SR montiert sein kann oder ein solches beinhalten kann, um einen gewünschten Achsabschnitt einer Bohrungsoberfläche 160 abzubilden. Das Bohrungsabbildungssystem 100 kann weiterhin in einigen Ausführungsformen einen Beleuchtungsteil 185 umfassen. 1 ist gemäß Zylinderkoordinaten Z, R und Φ angeordnet, die in diesem Beispiel mit einer zylindrischen Bohrung ausgerichtet sind. Der Fotodetektor 110 umfasst eine gewölbte Fotodetektoranordnung 111, die in einer Ebene gewölbt ist, die quer zu einer Achsrichtung Z einer Bohrungsoberfläche 160 ausgerichtet ist, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben. Die gewölbte Fotodetektoranordnung 111 umfasst ein Abbildungsarray 132 und ein Arraysubstrat 134. In einigen Ausführungsformen können das Abbildungsarray 132 und das Arraysubstrat 134 fusioniert und/oder ununterscheidbar sein (z. B. in der Form eines Halbleiter-Fotodetektorarrays auf einem verdünnten Halbleitersubstrat). In einigen Ausführungsformen können sie unterscheidbare Elemente sein (z. B. in der Form vereinzelter Halbleiter-Fotodetektorelemente, die an ein flexibles Material gebondet sind, das außerdem Schaltverbindungen und dergleichen trägt). In jedem Fall umfasst das Abbildungsarray 132 Fotodetektorelemente 132a–132n (z. B. Pixel), die Bilddaten (z. B. Intensitätswerte) bereitstellen, die einzeln oder parallel oder gemultiplext oder seriell ausgegeben oder anderweitig verarbeitet werden können, bevor sie auf Verbindungen 133 ausgegeben werden. Das heißt, in einigen Ausführungsformen können Verarbeitungsschaltungen als Teil des Abbildungsarrays 132 oder auf dem Substrat 134 und/oder dem Träger 170 bereitgestellt werden. In dieser Ausführungsform umfasst die Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 120 eine Linsenanordnung 190, die die Bohrungsoberfläche 160 auf der gewölbten Fotodetektoranordnung 111 abbildet. In dieser Ausführungsform nimmt die Linsenanordnung 190 die Form eines Arrays von Linsenelementen 190a–190n an, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 ausführlicher beschrieben wird. Der Beleuchtungsteil 185 ist mit einem Beleuchtungsenergie- und -steuerungselement 186 verbunden. In alternativen Ausführungsformen kann ein Beleuchtungsteil weggelassen oder auf dem Träger 170 oder in einer beliebigen anderen zweckmäßigen Form bereitgestellt werden.
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Im Betrieb ist der Beleuchtungsteil 185 dazu angeordnet, Beleuchtung 187 einer Bildzone 150 auf der Bohrungsoberfläche 160 bereitzustellen. Die Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 120 ist dazu konfiguriert, Bildlicht 140, das von der Bildzone 150 stammt, an den Fotodetektor 110 und insbesondere an die gewölbte Fotodetektoranordnung 111 zu übertragen. Ganz besonders sind die Linsenelemente 190a–190n der Linsenanordnung 190 in dieser bestimmten Ausführungsform dazu konfiguriert, Bildlicht 140 an Fotodetektorelemente 132a–132n des Abbildungsarrays 132 entlang der radialen Richtung R zu übertragen.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform wird das Bohrungsabbildungssystem 100 entlang einer Scan-Richtung SR bewegt, um Bilder bereitzustellen, die die Bohrungsoberfläche 160 entlang einer Achsrichtung Z abdecken.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die gewölbte Fotodetektoranordnung 111 in einer ungefähr kreisförmigen Form auf dem Träger 170 gewölbt. In einigen Ausführungsformen kann der Träger 170 ein Teil des Gehäuseelements 180 sein. In verschiedenen Ausführungsform kann das Substrat 134 ein Flexodruck-, ein Elastomer oder ein verdünntes Halbleitersubstrat oder ein anderes wölbbares Substrat sein, das die erforderlichen Eigenschaften zum Bereitstellen eines gewölbten Abbildungsarrays gemäß hierin offenbarten Prinzipien bereitstellt.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform wird das Bohrungsabbildungssystem 100 entlang einer Scan-Richtung SR bewegt, um Bilder bereitzustellen, die die Bohrungsoberfläche 160 entlang der Achsrichtung Z abdecken.
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In einigen Ausführungsformen kann die gewölbte Fotodetektoranordnung
111 auf einem flexiblen Substrat bereitgestellt werden, wie einem FleX
TM-Silicon-on-Polymer
TM-CMOS-Sensor, der von American Semiconductor in Boise, Idaho, USA, erhältlich ist, oder einem gewölbten hochauflösenden CCD-Sensor, der von Andanta in Olching, Deutschland, geliefert wird. Verschiedene andere verwendbare Alternativen zum Fertigen einer gewölbten Fotodetektoranordnung werden in den
US-Patenten mit den Nrn. 6,791,072 ;
6,849,843 ;
7,786,421 ;
8,372,726 ;
8,742,325 und den
US-Patentveröffentlichungen 2010/0264502 und
2012/0261551 offenbart, die alle hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen sind.
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In einigen Ausführungsformen kann die Fotodetektoranordnung 111 mehrere Fotodetektorelemente oder -arrays umfassen, die jeweils über eine begrenzte Spanne nominell flach sind, jedoch entlang einer gewölbten Form der gewölbten Fotodetektoranordnung 111 angeordnet sind. Nominell flache Fotodetektorarrays können beispielsweise auf einem flexiblen Substrat bereitgestellt werden, das entlang der gewölbten Form der Fotodetektoranordnung 111 angeordnet ist. Eine Designerwägung in einer derartigen Ausführungsform besteht darin, dass jedes der Fotodetektorelemente kein inakzeptabel verschwommenes Bild empfangen sollte, das seinem abgebildeten Teil der Bildzone 150 entspricht. Somit sollten eine beliebige Linsenanordnung und eine zusammenwirkende Fotodetektoranordnung so entworfen sein, dass sie komplementäre Wölbungen in dem Ausmaß haben, das erforderlich ist, um jeden Fotodetektor oder jedes Pixel innerhalb einer wünschenswerten Bildtiefenschärfe oder eines wünschenswerten Bildbereichs zu halten.
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In einigen Ausführungsformen kann das Abbildungsarray 132 eine verhältnismäßig schmale Dimension entlang der Achsrichtung Z (z. B. nur drei Pixel oder weniger) und eine verhältnismäßig verlängerte Dimension entlang der Φ-Richtung (z. B. mindestens 5800 Pixel) umspannen.
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Die 2A und 2B sind schematische Diagramme einer ersten Ausführungsform einer Linsenanordnung 290, die als die Linsenanordnung 190 des in 1 gezeigten Bohrungsabbildungssystems 100 verwendbar ist. 2A zeigt Komponenten eines typischen Bildkanals IC230a, der einen jeweiligen Teil der Linsenanordnung 290 beinhaltet, der mit einem jeweiligen Teil eines Abbildungsarrays 232 zusammenarbeitet. Die Linsenanordnung 290 und das Abbildungsarray 232 (z. B. wie in einer gewölbten Fotodetektoranordnung 211 enthalten) umfassen mehrere ähnliche Bildkanäle. Viele Elemente, die in 2 mit 2XX nummeriert sind, können Elementen, die in 1 mit 1XX nummeriert sind, ähnlich sein oder mit diesen identisch sein, wie einem Durchschnittsfachmann offensichtlich sein wird, und können auf der Basis einer vorherigen Beschreibung oder Analogie verstanden werden, sofern nichts anderes angegeben ist.
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2A zeigt eine Ansicht entlang einer Richtung, die zu der R-Z-Ebene eines Bildkanals IC230a lotrecht ist, und 2B zeigt eine Draufsicht von zwei benachbarten Bildkanälen IC230a und IC230b entlang einer Richtung, die zu der Achsrichtung Z parallel ist. Der Teil der Linsenanordnung 290, der mit dem Bildkanal IC230a assoziiert ist, ist mit 290a bezeichnet und umfasst eine begrenzende Blende 291a, die sich vor einer Mikrolinse 293a befindet, und eine begrenzende Blende 292a, die sich an einer hinteren Brennebene der Mikrolinse 293a befindet. Der Teil der Linsenanordnung 290, der mit dem Bildkanal IC230b assoziiert ist, ist mit 290b bezeichnet. Der Bildkanal IC230a umfasst weiterhin ein Fotodetektorelement 232a. In einigen Ausführungsformen kann das Fotodetektorelement 232a ein Pixel oder eine kleine Gruppe von Pixeln umfassen. Das Fotodetektorelement 232a ist auf (oder auf einem Teil) eines Substrats 234 angeordnet, das an einem Träger 270 angebracht ist. Das Fotodetektorelement 232a ist in einer Ausführungsform mit einer Verbindung 233a gekoppelt, die als ein Beispiel einer einzelnen Instanz der Verbindungen 133 des Bohrungsabbildungssystems 100 verstanden werden kann. Die Mikrolinse 293a und die Blenden 291a und 292a sind dazu konfiguriert, nominell kollimiertes Licht 240 von einer Abbildungszone 250 einer Bohrungsoberfläche 260 in das Fotodetektorelement 232a zu fokussieren. In einigen Ausführungsformen kann die Mikrolinse 293a eine Vergrößerung von –1 haben. Im Gegensatz dazu, wie in 2B gezeigt, sind die begrenzenden Blenden 291a und 292a dazu konfiguriert, nicht-kollimiertes Licht, wie die Lichtstrahlen 241, die außerhalb eines Blickfelds 251a herrühren, daran zu hindern, in den Bildkanal IC230a einzutreten. Dies verhindert, dass Licht aus einer Region, die nominell durch ein benachbartes Fotodetektorelement abgebildet werden sollte (z. B. aus einer Region im Blickfeld 251b des Bildkanals IC230b), durch das Fotodetektorelement 232a eingegeben wird, und unterdrückt folglich „Bild-Nebensprechen” zwischen benachbarten Fotodetektorelementen. Dies kann dahingehend verstanden werden, dass es die laterale Bildauflösung des Systems verbessert. Der benachbarte Bildkanal IC230b ist ähnlich wie der oben beschriebene Bildkanal IC230a konfiguriert und beinhaltet ein Fotodetektorelement 232b, das mit einer Verbindung 233b gekoppelt ist. Man wird auch zu schätzen wissen, dass eine derartige Linsenanordnung außerdem die Schärfentiefe verbessert, was eine Abbildung eines Bereichs von Bohrungsgrößen in Messtechnikqualität ermöglicht.
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3 ist ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform eines Bohrungsabbildungssystems 300 gemäß hierin offenbarten Prinzipien. Viele Elemente, die in 3 mit 3XX nummeriert sind, können zu Elementen, die in 1 mit 1XX nummeriert sind, analog oder diesen ähnlich sein (z. B. ist 311 analog zu 111), wie einem Durchschnittsfachmann offensichtlich sein wird, und können auf der Basis einer vorherigen Beschreibung oder Analogie verstanden werden, sofern nichts anderes angegeben ist. In einigen Fällen kann die Größe oder Form anders sein, die Funktion, die Fertigung oder der Zweck können jedoch ähnlich sein, wie ein Durchschnittsfachmann auf der Basis dieser Offenbarung verstehen wird.
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Das Bohrungsabbildungssystem 300 umfasst einen Fotodetektor 310 und eine Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 320. In einigen Ausführungsformen kann das Bohrungsabbildungssystem 300 einen Beleuchtungsteil (z. B. analog zu dem in 1 gezeigten Beleuchtungssystem 190) beinhalten, der nicht gezeigt ist. Die Bohrungsabbildungssysteme können auf einem Gehäuseelement oder -rahmen, das bzw. der nicht gezeigt ist, angeordnet sein, das bzw. der alles im korrekten Verhältnis hält und das bzw. der an einem Bewegungssteuerungssystem oder dergleichen zum Scannen des Bohrungsabbildungssystems 300 und/oder Justieren seiner Abbildungsrichtung entlang einer axialen Scan-Richtung SR montiert sein kann oder ein solches beinhalten kann. 3 ist gemäß Zylinderkoordinaten Z, R und Φ angeordnet, die in diesem Beispiel mit einer zylindrischen Bohrung ausgerichtet sind. Der Fotodetektor 310 umfasst eine gewölbte Fotodetektoranordnung 311, die in einer Ebene gewölbt ist, die quer zu einer Achsrichtung Z einer Bohrungsoberfläche 360 ausgerichtet ist, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben. Die gewölbte Fotodetektoranordnung 311 kann als analog zu der Fotodetektoranordnung 111 verstanden werden und kann auf ähnliche Weise gefertigt sein, das heißt, ein Abbildungsarray und ein Substrat umfassen, wie zuvor umrissen. Das Abbildungsarray umfasst im Allgemeinen Fotodetektorelemente, die mit Verbindungen 333 gekoppelt sind, die dazu konfiguriert sind, Bilddaten an einen Detektorverarbeitungsteil 395 auszugeben, wie zuvor umrissen. Die Bilddaten können in einigen Ausführungsformen verarbeitete Bilddaten sein. Die Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 320 unterscheidet sich in Bezug auf ihre Form wesentlich von der in 1 gezeigten Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 120. Insbesondere umfasst die Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 320 eine Panoramaabbildungsanordnung, die ein erstes Reflektorelement 321, das etwa 360 Azimut-Grad reflektiert, eine Linsenanordnung 325 und ein zweites Reflektorelement 322, das etwa 360 Azimut-Grad reflektiert, umfasst, die sich alle entlang eines optischen Wegs zwischen der Bildzone 350 und dem Fotodetektor 310 befinden.
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Die Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 320 ist dazu konfiguriert, im Betrieb Bildlicht 340, das von der Bildzone 350 auf der Bohrungsoberfläche 360 stammt, an den Fotodetektor 310 und insbesondere an die Fotodetektorelemente ihres Abbildungsarrays zu übertragen. Ganz besonders ist das erste Reflektorelement 321 dazu eingerichtet, Bildlicht 340, das von der Bildzone 350 stammt, entlang einer Richtung zu empfangen, die quer zu der Achsrichtung Z ist (z. B. ungefähr entlang der radialen Richtung R), es abzulenken und es an die Linsenanordnung 325 im Allgemeinen entlang der Richtung der Bohrungsachse (z. B. der Z-Richtung) auszugeben. Die Linsenanordnung 325 ist dazu konfiguriert, das Bildlicht 340 an das zweite Reflektorelement 322 im Allgemeinen entlang der Richtung der Bohrungsachse (z. B. der Z-Richtung) mit einer gewünschten Vergrößerung zu übertragen. Die Linsenanordnung 325 oder allgemeiner die Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 320 kann weiterhin verschiedene begrenzende Blenden oder dergleichen beinhalten, die in einigen Ausführungsformen eine ringförmige Blendenanordnung beinhalten können, um die Blickfeldauswahl, die Schärfentiefe und/oder die Auflösung des Bohrungsabbildungssystems 300 beim Abbilden der Bildzone 350 zu verbessern. Das zweite Reflektorelement 322 ist dazu angeordnet, das Bildlicht 340 von der Linsenanordnung 325 zu empfangen, es abzulenken und das Bildlicht 340 an die gewölbte Fotodetektoranordnung 311 des Fotodetektors 310 entlang einer Richtung zu übertragen, die quer zu der Achsrichtung Z ist (z. B. ungefähr entlang der radialen Richtung R). Die gewölbte Fotodetektoranordnung 311 ist dazu angeordnet, dieses Bildlicht 340 zu empfangen.
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In der in 3 gezeigten bestimmten Ausführungsform ist die Linsenanordnung 325 dazu konfiguriert, das Bildlicht 340 zu verkleinern und es an das zweite Reflektorelement 322 zu übertragen, das das Licht ungefähr entlang einer nach innen gerichteten radialen Richtung zu einer kompakten gewölbten Fotodetektoranordnung 311 ablenkt, die Detektorelemente aufweist, die ungefähr entlang einer nach außen gerichteten radialen Richtung gewandt sind. Eine derartige Konfiguration kann in einigen Ausführungsformen eine sehr kompakte gewölbte Fotodetektoranordnung 311 ermöglichen und/oder kann den Vorteil des inhärenten Konzentrieren des nach innen radial konvergenten Bildlichts 340 haben, um eine bessere Bildintensität und/oder -auflösung an den Fotodetektorelementen der gewölbten Fotodetektoranordnung 311 bereitzustellen.
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In der in 3 gezeigten Ausführungsform scheinen das erste Reflektorelement 321 und das zweite Reflektorelement 322 eine ungefähr konische Form zu haben. Man sollte jedoch zu schätzen wissen, dass unterschiedliche Formen von Reflektorelementen genutzt werden können, beispielsweise um Bildverzerrungen zu verbessern oder die Abbildungsauflösung zu verbessern.
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In einigen Ausführungsformen wird das Bohrungsabbildungssystem 300 im Betrieb entlang einer Scan-Richtung SR bewegt, um Bilder bereitzustellen, die die Bohrung entlang der Achsrichtung abdecken. In alternativen Ausführungsformen kann die Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 320 Bildwegjustierungselemente umfassen, die verformbare und/oder koordinierte bewegbare Abbildungselemente umfassen, die das Blickfeld und den Fokus des Systems axial entlang der Bohrung ablenken, ohne dazu die gesamte Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 320 entlang der Scan-Richtung SR bewegen zu müssen. Ein derartiges System kann eine schnellere Scangeschwindigkeit oder mechanische Reaktionszeit zum Neulokalisieren der Bildzone 350 bereitstellen. Unter Verwendung moderner optischer Designsimulationssoftware und/oder Strahlenverfolgungsprogrammen können verschiedene Konfigurationen für ein derartiges System von einem Durchschnittsfachmann für optisches Design umgesetzt werden.
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4 ist ein schematisches Diagramm einer dritten Ausführungsform eines Bohrungsabbildungssystems 400 gemäß hierin offenbarten Prinzipien. Viele Elemente, die in 4 mit 4XX nummeriert sind, können zu Elementen, die in 3 mit 3XX nummeriert sind, analog oder mit diesen identisch sein (z. B. kann 421 in einigen Ausführungsformen 321 ähnlich sein oder damit identisch sein), wie einem Durchschnittsfachmann offensichtlich sein wird, und können auf der Basis einer vorherigen Beschreibung oder Analogie verstanden werden, sofern nichts anderes angegeben ist. In einigen Fällen kann die Größe oder Form anders sein, die Funktion, die Fertigung oder der Zweck können jedoch ähnlich sein, wie ein Durchschnittsfachmann auf der Basis dieser Offenbarung verstehen wird.
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Das Bohrungsabbildungssystem 400 umfasst einen Fotodetektor 410 und eine Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 420, die alle auf der Basis der Beschreibung des Bohrungsabbildungssystems 300, das unter Bezugnahme auf die obige 3 umrissen wurde, verstanden werden können. Der einzige wesentliche Unterschied zwischen dem Bohrungsabbildungssystem 400 und dem Bohrungsabbildungssystem 300 besteht darin, dass in der Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung 420 das zweite Reflektorelement 422 dazu konfiguriert ist, das Bildlicht 440 ungefähr entlang einer nach außen gerichteten radialen Richtung zu einer gewölbten Fotodetektoranordnung 411 abzulenken, die Detektorelemente aufweist, die ungefähr entlang einer nach innen gerichteten radialen Richtung gewandt sind. Eine derartige Konfiguration kann in einigen Ausführungsformen eine weniger gewölbte Fotodetektoranordnung 411 ermöglichen (z. B. zur Verwendung in Ausführungsformen, in denen die Fotodetektorelemente sich auf einem Substrat befinden, das nicht mit einem kleinen Biegeradius gewölbt werden kann, im Gegensatz zu der gewölbten Fotodetektoranordnung 311) und/oder kann den Vorteil des Ermöglichens des Verwendens mehrerer Fotodetektorelemente mit einer gegebenen Größe pro Winkelinkrement der gewölbten Fotodetektoranordnung 411 haben, um die räumliche Bildabtastung und/oder die Auflösung in dem Bohrungsabbildungssystem 400 zu verbessern.
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5 ist ein schematisches Diagramm 500, das eine Ausführungsform eines Fotodetektors 510 beinhaltet, der in verschiedenen Ausführungsformen eines Bohrungsabbildungssystems gemäß hierin offenbarten Prinzipien verwendbar ist (z. B. dem Bohrungsabbildungssystem 400, das oben unter Bezugnahme auf 4 umrissen ist). Der Fotodetektor 510 kann beispielsweise anstelle des in 4 gezeigten Fotodetektors 410 verwendet werden. Viele Elemente, die in 5 mit 5XX nummeriert sind, können zu Elementen, die in 4 mit 4XX und/oder in 2 mit 2XX nummeriert sind, analog oder diesen ähnlich sein, wie einem Durchschnittsfachmann offensichtlich sein wird, und können auf der Basis einer vorherigen Beschreibung oder Analogie verstanden werden, sofern nichts anderes angegeben ist.
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Der Hauptunterschied zwischen dem Fotodetektor 510 und dem in 4 gezeigten Fotodetektor 410 besteht darin, dass der Fotodetektor 510 eine erste gewölbte Fotodetektoranordnung 511 und eine zweite gewölbte Fotodetektoranordnung 511' umfasst, die in Ebenen gewölbt sind, die quer zu einer Achsrichtung Z einer Bohrungsoberfläche ausgerichtet und axial voneinander versetzt sind. Die erste gewölbte Fotodetektoranordnung 511 umfasst ein Abbildungsarray 532 auf einem Substrat 534 und die zweite gewölbte Fotodetektoranordnung 511' umfasst ein Abbildungsarray 532' auf einem Substrat 534', die jeweils jeweilige Teile 540A und 540B von Bildlicht 540 empfangen, die von dem zweiten Reflektorelement 522 entlang einer Richtung, die quer zu der Achsrichtung Z ist (d. h. entlang der radialen Richtung R), abgelenkt wurden. Es versteht sich, dass die für verschiedene Elemente und/oder deren Trennung entlang der Z-Richtung in 5 gezeigten Dimensionen zu Veranschaulichungszwecken übertrieben wurden. In einigen Ausführungsformen sind die für verschiedene Elemente und/oder deren Trennung entlang der Z-Richtung gezeigten Dimensionen so weit wie möglich minimiert, um ein kompakteres Abbildungssystem bereitzustellen.
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Die Substrate 534 und 534' sind an einem kreisförmigen Träger 570 (in einer Schnittansicht zum Teil gezeigt) montiert. Man wird zu schätzen wissen, dass die Substrate 534 und 534' in einigen Ausführungsformen Teile eines einzigen Elements umfassen können. Die erste und die zweite gewölbte Fotodetektoranordnungen 511 und 511' können allgemein gemäß beliebigen der zuvor umrissenen und/oder hierin referenzierten Verfahren gefertigt werden. Die Abbildungsarrays 532 und 532' können schematisch dargestellte einzelne Fotodetektorelemente umfassen, die mit jeweiligen Verbindungen 533 und 533' gekoppelt sind, die dazu konfiguriert sind, Bilddaten an einen Detektorverarbeitungsteil 595 auszugeben. In einigen Ausführungsformen kann der Detektorverarbeitungsteil 595 als Teil der Abbildungsarrays 532 und 532' oder auf den Substraten 134 und/oder 134' und/oder dem Träger 170 bereitgestellt werden.
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Ein Grund zum Bereitstellen der ersten und der zweiten gewölbten Fotodetektoranordnung 511 und 511' kann sein, dass Zusammenfügungserwägungen und/oder Verbindungen oder Leiter, die mit einem Abbildungsarray assoziiert sind, das Zusammenfügen eines einzigen gewölbten Fotodetektors, der keine Lücke zwischen Fotodetektorelementen irgendwo entlang des Arrays oder an dessen Ende aufweist, unrentabel oder unbequem machen können. Insbesondere kann eine 360-Grad-Fotodetektorelement-Abdeckung mit voller Dichte dabei schwierig oder teuer sein, es in einer einzigen Ebene, die quer zu der Z-Achse ist, bereitzustellen. In einem derartigen Fall kann bei einem beliebigen Azimutwinkel Φ, bei dem eine Lücke in der Fotodetektorelement-Abdeckung einer ersten gewölbten Fotodetektoranordnung 511 besteht, eine Fotodetektorelement-Abdeckung, die bei demselben Azimutwinkel bereitgestellt wird, in einer zweiten gewölbten Fotodetektoranordnung 511' mit einer Achsrichtung vorliegen, die von der gewölbten Fotodetektoranordnung 511 versetzt ist. In einer derartigen Konfiguration ist der Teil einer Bildzone (z. B. der Bildzone 450), der von jeder der ersten und der zweiten gewölbten Fotodetektoranordnung 511 und 511' abgebildet wird, unterschiedlich (z. B. bildet jede eine andere Achskoordinate in der Bildzone ab). Da ein Bohrungsabbildungssystem entlang der Achsrichtung gescannt wird, kann jedoch eine komplette Abbildung bei allen Azimutwinkeln durch eine Kombination der Bilddaten von der ersten und der zweiten gewölbten Fotodetektoranordnung 511 und 511' erhalten werden. In einigen Ausführungsformen können redundante Daten vorliegen, die bei einigen Azimutwinkeln erhalten wurden (z. B. wie es der Fall mit dem Fotodetektor 510 wäre). In einem derartigen Fall können die zusätzlichen Daten für verschiedene Zwecke verwendet oder in verschiedenen Ausführungsformen einfach ignoriert werden.
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Ein anderer Grund zum Bereitstellen einer ersten und einer zweiten gewölbten Fotodetektoranordnung, wenn die Fertigung eines oder mehrerer Abbildungsarrays keine Lücken bei einem beliebigen Azimutwinkel zurücklässt, kann einfach darin bestehen, redundante Bilddaten während eines einzigen Scans bereitzustellen. Dies kann dazu verwendet werden, eine zuverlässigere Abbildung bereitzustellen oder eine schnellere Verarbeitung oder ein schnelleres Scannen zu ermöglichen, oder für verschiedene andere Gründe in verschiedenen Ausführungsformen. Ein anderer Grund zum Bereitstellen einer ersten und einer zweiten gewölbten Fotodetektoranordnung kann einfach sein, das Abbilden von nur gewünschten Azimutbogensegmenten bereitzustellen, die in einer bestimmten Bohrungswandinspektionsanwendung von Interesse sind. Jeder gewölbte Fotodetektor kann so bemessen und angeordnet sein, dass er seinem jeweiligen gewünschten Azimutbogensegment entlang der Bohrungswand entspricht. Dies kann die Datenerfassungs- und -verarbeitungszeit begrenzen und eine höhere axiale Scanrate in einigen spezifischen Anwendungen ermöglichen.
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Man wird zu schätzen wissen, dass in anderen Ausführungsformen, wenn ein Abbildungsarray gefertigt werden kann, das lang genug ist, es auf einen Träger gewickelt werden kann, z. B. in einer Spirale oder so dass es einen Teil von sich selbst überlappt, um eine einzige gewölbte Fotodetektoranordnung zu bilden, die alle potentiellen Fotodetektorlücken über 360 Grad eines Azimutwinkels auf eine zu der oben umrissenen analogen Weise vermeidet oder abdeckt.
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Man sollte zu schätzen wissen, dass einige Ausführungsformen eines Bohrungsabbildungssystems gemäß den hierin offenbarten Prinzipien einen zweiten kompletten Fotodetektor und eine zweite Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung umfassen können. In einer derartigen Anwendung können der zweite Fotodetektor und die zweite Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung dazu angeordnet sein, eine zweite Bildzone abzubilden, die von einer ersten Bildzone in der Achsrichtung Z versetzt ist, um die Zeit zu verkürzen, die erforderlich ist, um ein gegebenes Achssegment einer Bohrungsoberfläche zu scannen. Bilddaten von dem ersten Fotodetektor und dem zweiten Fotodetektor können zusammengefügt werden, um ein vollständiges Bild der Bohrungsoberfläche zu bilden. In einer anderen derartigen Ausführungsform können der zweite Fotodetektor und die zweite Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung dazu angeordnet sein, dieselbe Bildzone wie ein erster Fotodetektor und eine erste Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung abzubilden, jedoch entlang eines anderen optischen Wegs mit einem anderen Winkel in Bezug auf die erste Bildzone als die erste Bohrungsoberflächenabbildungsanordnung. Ein derartiges Bohrungsabbildungssystem kann zu einer dreidimensionalen Abbildung einer Bohrungsoberfläche fähig sein.
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Obwohl verschiedene Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, werden einem Fachmann zahlreiche Variationen in den dargestellten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Sequenzen von Arbeitsvorgängen auf der Basis dieser Offenbarung offensichtlich sein. Man wird somit zu schätzen wissen, dass verschiedene Änderungen darin vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4849626 [0002]
- US 7636204 [0002]
- US 8334971 [0002]
- US 8570505 [0002]
- US 6791072 [0016]
- US 6849843 [0016]
- US 7786421 [0016]
- US 8372726 [0016]
- US 8742325 [0016]
- US 2010/0264502 [0016]
- US 2012/0261551 [0016]
