WO2000066998A2 - Method and device for detecting an image of an essentially cylindrical surface - Google Patents

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Gerhard Kucera
Michael Rudolf
Hubert Keller
Franz Seiser
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Festo Gesellschaft M.B.H.
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Abstract

The invention relates to a method for detecting an image of an essentially cylindrical surface (13) such as the surface of a hollow space or outer casing of an essentially cylindrical work piece. The inventive method comprises an image detecting unit (1) and an image evaluation unit (2). The image detecting unit (1) is provided with all-round optics (6) which detect light from the entire circumference of the cylindrical surface (13) and projects said light onto a sensor (8). The all-round optics (6) and the cylindrical surface (13) are moved in relation to each other. After a movement along a movement path which can be predetermined has taken place, the image evaluating unit (2) stores the partial image of the surface, whereby said image has just been detected by the sensor (8) and joins all partial images to form an entire image of the surface. The all-round optics (6) and the cylindrical surface (13) are continuously moved in relation to one another.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung eines Abbildes einer im wesentlichen zylindrischen Oberfläche Method and device for acquiring an image of a substantially cylindrical surface
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Abbildes einer im wesentlichen zylindrischen Oberfläche, wie Oberfläche eines ^Hohlraumes bzw. Außenmantel eines in wesentlichen zylindrischen Werkstückes.The invention relates to a method for detecting an image of a substantially cylindrical surface, such as surface of a ^ cavity and outer jacket of a substantially cylindrical workpiece.
Der Begriff „Bildverarbeitung" bezeichnet die Interpretation eines Bildes, Objektes oder einer Szene durch den Einsatz berührungsloser Sensoren, mit dem Ziel, Informationen zu erhalten, Maschinen bzw. Prozesse zu überwachen oder Werkstücke zu überprüfen. Ein Bildverarbeitungssystem besteht üblicherweise aus den Komponenten: Beleuchtung, Sensorik mit Optik, Bilddigitalisierung/Bildaufbereitung und Bildauswertung/Generierung von Kenn- und Steuerdaten.The term “image processing” denotes the interpretation of an image, object or scene by using contactless sensors with the aim of obtaining information, monitoring machines or processes or checking workpieces. An image processing system usually consists of the components: lighting, Sensor technology with optics, image digitization / image processing and image evaluation / generation of identification and control data.
Heute werden bei den meisten Bildverarbeitungssystemen Weißlicht- Infrarot- und/oder UV- Lampen als Beleuchtung eingesetzt und als bildgebende Sensoren sind CCD-Kameras am weitesten verbreitet. Die Halbleiter-CCD-Kameras sind inzwischen sehr billig, klein und t leicht geworden. Es gibt sie als Matrixsensor (2D-Anordnung, üblicherweise 780x580 Pixel) und auch als Zeilensensor (1D- Anordnung, von 256 bis 8000 Pixel). Die Bildaufbereitung dient dazu, das aufgenommene Bild so zu verarbeiten, daß in den nachfolgenden Stufen eine Auswertung mit relativ geringem Aufwand erfolgen kann. Hier wird das Bild entzerrt, das Rauschen und überflüssige Redundanzen durch Datenkompression eliminiert. Im nächsten Schritt wird das vorverarbeitete Bild ausgewertet, Fehler klassifiziert oder Objekte identifiziert, was mittels entsprechend programmierten Computern erfolgt. Hier werden oft intelligente Auswertealgorithmen, wie neuronale Netze oder Fuzzy Logic verwendet. Am Ende der Kette stehen Ausgangsgrößen, die als Kenn- oder Steuerdaten weiter verwendet werden. Die wichtigsten Leistungsmerkmale eines Bildverarbeitungssystems sind: Es arbeitet berührungslos und zerstörungsfrei, die mit ihm erzielen Ergebnisse sind reproduzierbar und objektiv, d.h. hängen nicht von der augenblicklichen Verfassung eines menschlichen Prüfers ab. Weiters sind die Prüfergebnisse -weil mittels EDV erzielt- besonders einfach und übersichtlich dokumentierbar.Today, most image processing systems use white light, infrared and / or UV lamps as lighting and CCD cameras are the most widespread as imaging sensors. The semiconductor CCD cameras have become very cheap, small and light. They are available as a matrix sensor (2D arrangement, usually 780x580 pixels) and also as a line sensor (1D arrangement, from 256 to 8000 pixels). Image processing is used to process the captured image so that it can be evaluated in the subsequent stages with relatively little effort. Here the image is rectified, the noise and redundant redundancies eliminated by data compression. In the next step, the pre-processed image is evaluated, errors classified or objects identified, which is done using appropriately programmed computers. Intelligent evaluation algorithms such as neural networks or fuzzy logic are often used here. At the end of the chain there are output variables that can be used as identification or control data. The most important features of an image processing system are: It works without contact and non-destructively, the results achieved with it are reproducible and objective, i.e. do not depend on the current condition of a human examiner. In addition, the test results - achieved by means of EDP - are particularly easy and clearly documentable.
Die gegenständliche Erfindung bezieht sich auf die Anwendung eines Bildverarbeitungssystems auf dem Gebiet der Oberflächeninspektion von -vorzugsweise fertigen- Werkstücken und betrifft konkret nur den Bilderfassungsteil eines solchen Bildverarbeitungssystems.The present invention relates to the use of an image processing system in the field of surface inspection of - preferably finished - workpieces and specifically relates only to the image acquisition part of such an image processing system.
In vielen Produktionsprozessen ist eine visuelle Endkontrolle des Produktes für die Qualitätskontrolle unbedingt erforderlich. Meist wird diese Aufgabe von speziell geschultem Personal manuell durchgeführt. Die Bedeutung der Oberflächenqualität für das Endprodukt kann in folgenden Bereichen liegen:In many production processes, a visual final inspection of the product is absolutely necessary for quality control. This task is usually carried out manually by specially trained personnel. The importance of surface quality for the end product can be in the following areas:
Betriebssicherheit - Gewährleistung der Funktion des Produktes Marketing - Optische Güte und optischer Eindruck des Produktes Prozeßoptimierung - Rückkopplung zum ProzeßOperational safety - Ensuring the function of the product Marketing - Optical quality and visual impression of the product Process optimization - feedback to the process
Ein Bildverarbeitungssystem bietet gerade auf dem Gebiet der Oberflächenprüfung entscheidende Vorteile: Sie prüft objektiv, reproduzierbar, ermüdungsfrei und unabhängig von der Verfassung des Personals.An image processing system offers decisive advantages especially in the field of surface inspection: It inspects objectively, reproducibly, fatigue-free and regardless of the condition of the staff.
Es ist Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, ein Verfahren der eingangs angeführten Art anzugeben, welches besonders schnell abläuft.It is the object of the present invention to specify a method of the type mentioned at the outset, which runs particularly quickly.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine Bilderfassungseinheit und eine Bildauswerteinheit, wobei die Bilderfassungseinheit eine Rundumoptik aufweist, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche erfaßt und auf einen optischen Sensor projiziert, wobei Rundumoptik und zylindrische Oberfläche relativ zueinander bewegt werden und nach Abschluß eines vorgebbaren Bewegungsweges das gerade vom Sensor erfaßte Teilabbild der Oberfläche von der Bildauswerteinheit abgespeichert und sämtliche Teilabbilder zu einem Gesamtabbild der Oberfläche zusammengefügt werden und Rundumoptik und zylindrische Oberfläche ununterbrochen relativ zueinander bewegt werden.According to the invention, this is achieved by an image acquisition unit and an image evaluation unit, the image acquisition unit having all-round optics, which detects light from the entire circumference of the cylindrical surface and projects it onto an optical sensor, the all-round optics and cylindrical surface being moved relative to one another and after completion of a predeterminable movement path Partial image of the surface that has just been captured by the sensor is stored by the image evaluation unit and all partial images are combined to form an overall image of the surface and the all-round optics and cylindrical surface are continuously moved relative to one another.
Der geforderte möglichst schnelle Verfahrensablauf wird vorrangig durch die ununterbrochene Relativbewegung der Oberfläche gegenüber der Rundumoptik erreicht. Zeiten, in welchen die Rundumoptik völlig stillsteht und welche zu einer Verlangsamung des Gesamtverfahresablaufes fuhren würden, werden damit völlig vermieden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Rundumoptik und der Oberfläche für die Dauer des Abspeicherns eines Teilabbildes verringert wird.The required quickest possible procedure is primarily achieved by the continuous relative movement of the surface compared to the all-round optics. Times in which the all-round optics stand still and which would lead to a slowdown of the overall process are thus completely avoided. In a further embodiment of the invention it can be provided that the speed of the relative movement between the all-round optics and the surface is reduced for the duration of the storage of a partial image.
Damit wird sichergestellt, daß das aktuelle Teilabbild vollständig und rechtzeitig vor der Projektion des nachfolgenden Teilabbildes abgespeichert werden kann. Es ist mit der Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit zwar ein Verlangsamung des Erfassungs- Verfahrens verbunden, diese wirkt sich aber nur unwesentlich aus.This ensures that the current partial image can be saved completely and in good time before the projection of the subsequent partial image. The reduction in the speed of movement is associated with a slowing down of the detection process, but this has only an insignificant effect.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsweise der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Rundumoptik und der Oberfläche durchgehend gleich hoch gewählt wird.According to a preferred embodiment of the invention it can be provided that the speed of the relative movement between the all-round optics and the surface is chosen to be the same throughout.
Damit ist eine eben angesprochene geringfügige Verlangsamung des Verfahrensablaufes völlig vermieden.A slight slowing down of the process sequence just mentioned is thus completely avoided.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann vogesehen sein, daß die Oberfläche unbewegt gehalten und die Rundumoptik relativ zur Oberfläche weiterbewegt wird.According to a first embodiment of the invention it can be provided that the surface is kept still and the all-round optics is moved further relative to the surface.
Diese Variante eignet sich insbesondere für Werkstücke, die groß und/oder schwer im Vergleich zur Rundumoptik sind und deshalb nur mit größerem Aufwand als diese weiterzubewegen sind.This variant is particularly suitable for workpieces that are large and / or heavy compared to the all-round optics and therefore can only be moved with greater effort than these.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, daß der optische Sensor stillstehend gegenüber der Rundumoptik gehalten wird und das von der Rundumoptik erfaßte Licht. vorzugsweise unter Verwendung von Lichtleitern oder Spiegelsystemen, auf den optischen Sensor projiziert wird.In this connection it can be provided that the optical sensor is held stationary with respect to the all-round optics and the light detected by the all-round optics. preferably using optical fibers or mirror systems, is projected onto the optical sensor.
Durch die damit bewirkte räumliche Trennung von Rundumoptik und Sensor wird erreicht, daß der weiterzubewegende Teil der Bilderfassungseinheit mit sehr geringen geometrischen Abmessungen gefertigt werden kann. Im Zusammenhang mit der Erfassung von Hohlraum- Oberflächen führt dies dazu, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Hohlräumen mit sehr geringen Durchmessern eingesetzt werden kann.The spatial separation of the all-round optics and sensor thus achieved means that the part of the image acquisition unit to be moved can be manufactured with very small geometric dimensions. In connection with the detection of cavity surfaces, this means that the method according to the invention can also be used for cavities with very small diameters.
Im Gegensatz zur eben angeführten Ausfuhrungsform kann aber auch vorgesehen sein, daß der optische Sensor starr mit der Rundumoptik verbunden wird und gemeinsam mit dieser relativ zur Oberfläche weiterbewegt wird.In contrast to the embodiment just mentioned, provision can also be made for the optical sensor to be rigidly connected to the all-round optics and to be moved together with the latter in relation to the surface.
Damit können unter Umständen kompliziert aufgebaute Systeme zur Licht- Weiterleitung und die mit ihrer Herstellung verbundenen Kosten vermieden werden.Under certain circumstances, complicated systems for light transmission and the costs associated with their production can be avoided.
Gemäß einer zweiten Ausfuhrungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Rundumoptik unbewegbar gehalten wird und die Oberfläche relativ zur Rundumoptik weiterbewegt wird.According to a second embodiment of the invention, it can be provided that the all-round optics are held immovably and the surface is moved further relative to the all-round optics.
Diese Ausgestaltungsvariante ist insbesondere dann zu wählen, wenn die Oberfläche, deren Abbild erfaßt werden soll, jene eines endlosen Werkstückstranges, wie z.B. eines extrudierten Kunststoffstranges, eines Glasstranges od. dgl. ist.This design variant should be selected in particular if the surface whose image is to be captured is that of an endless strand of workpieces, e.g. an extruded plastic strand, a glass strand or the like.
Weiters kann vorgesehen sein, daß von der Bildauswerteinheit durch Vergleich des Oberflächen-Gesamtabbildes mit einem Referenzbild Fehlerstellen in der Oberfläche erkannt werden.Furthermore, it can be provided that the image evaluation unit recognizes defects in the surface by comparing the overall surface image with a reference image.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine möglichst einfach aufgebaute Vorrichtung zur Durchführung des eben erörterten Verfahrens anzugeben. Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Variante wird dies erreicht durch eine Bilderfassungseinheit und eine Bildaus werteinheit, wobei die Bilderfassungseinheit eine Rundumoptik aufweist, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche erfaßt und auf einen optischen Sensor projiziert, wobei Rundumoptik und zylindrische Oberfläche relativ zueinander bewegbar gehalten sind und der optische Sensor ein Ringsensor ist. Gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Variante wird dies erreicht durch eine Bilderfassungseinheit und eine Bildauswerteinheit, wobei die Bilderfassungseinheit eine Rundumoptik aufweist, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche erfaßt und auf einen optischen Sensor projiziert, wobei Rundumoptik und zylindrische Oberfläche relativ zueinander bewegbar gehalten sind und der optische Sensor ein Matrix-Sensor ist. Beide Typen von Sensoren können besonders schnell ausgelesen werden, sodaß ein reibungsloser Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens sichergestellt ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der optische Sensor in CMOS-Technologie oder in CCD-Technologie ausgeführt ist. Beide Technologien weisen für den gegenständlichen Anwendungsbereich ausreichendeAnother object of the invention is to provide a device of the simplest possible design for carrying out the method just discussed. According to a first variant of the invention, this is achieved by an image acquisition unit and an image evaluation unit, the image acquisition unit having all-round optics, which detects light from the entire circumference of the cylindrical surface and projects it onto an optical sensor, the all-round optics and cylindrical surface being held movable relative to one another and the optical sensor is a ring sensor. According to a second variant of the invention, this is achieved by an image acquisition unit and an image evaluation unit, the image acquisition unit having all-round optics, which detects light from the entire circumference of the cylindrical surface and projects it onto an optical sensor, the all-round optics and cylindrical surface being kept movable relative to one another and optical sensor is a matrix sensor. Both types of sensors can be read out particularly quickly, so that a smooth execution of the method according to the invention is ensured. In a further embodiment of the invention it can be provided that the optical sensor is implemented in CMOS technology or in CCD technology. Both technologies show sufficient for the application area in question
Funktionszuverlässigkeit auf.Functional reliability.
Weiters kann vorgesehen sein, daß die Rundumoptik und gegebenenfalls der optische Sensor auf einem ununterbrochen weiterbewegbaren Linearantrieb festgelegt sind.Furthermore, it can be provided that the all-round optics and, if appropriate, the optical sensor are fixed on a linear drive that can be moved continuously.
Damit ist die Weiterbewegung der Rundumoptik entlang einer völlig geraden Linie und damit eine konstante Beabstandung der Rundumoptik zur Oberfläche sichergestellt.This ensures the further movement of the all-round optics along a completely straight line and thus a constant spacing of the all-round optics from the surface.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Linearantrieb durch einen elektrischen Spindelantrieb gebildet ist, da solche Antriebe reltiv einfach mit der im gegenständlichen Zusammenhang notwendigen Verfahr-Genauigkeit herstellbar ist.In a further embodiment of the invention, it can be provided that the linear drive is formed by an electrical spindle drive, since such drives can be produced in a relatively simple manner with the travel accuracy required in the context in question.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, daß die Gewindespindel desIn this connection it can be provided that the threaded spindle of the
Spindelantriebes durch einen elektrischen Schritt- oder Servomotor gebildet ist, weil derartige Antriebe besonders einfach ansteuerbar sind.Spindle drive is formed by an electrical stepper or servo motor, because such drives are particularly easy to control.
Gemäß einer anderen Ausführungsmöglichkeit kann vorgesehen sein, daß der Linearantrieb durch einen pneumatischen Leichtlauf-Zylinder gebildet ist.According to another possible embodiment, it can be provided that the linear drive is formed by a pneumatic smooth-running cylinder.
Auch ein solcher Antrieb weist die notwendige Verfahrgenauigkeit auf.Such a drive also has the necessary travel accuracy.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen besonders bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt:The invention is described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which particularly preferred exemplary embodiments are shown. It shows:
Fig.1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;1 shows a block diagram of a device according to the invention;
Fig.2 und 3 Schrägrisse von Rundumoptiken 6 mit Ringsensoren 8 in prinzipiellerFig. 2 and 3 skew of all-round optics 6 with ring sensors 8 in principle
Darstellung;Presentation;
Fig.4a,b einen Flächen- bzw. Matrixsensor und einen Ringsensor jeweils im Grundriß;4a, b an area or matrix sensor and a ring sensor each in plan;
Fig.5 die Oberfläche 13 einer zu inspizierenden Bohrung im Schrägriß;5 shows the surface 13 of a hole to be inspected in an oblique view;
Fig.6 das Gesamtbild der Bohrung gemäß Fig.5;6 shows the overall picture of the bore according to FIG. 5;
Fig.7 das Schaltbild eines in CMOS-Technologie gehaltenen Bilderfassungs-Bauelementes 9;7 shows the circuit diagram of an image capturing component 9 which is held in CMOS technology;
Fig.8a,b zwei mögliche Verläufe der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen8a, b two possible courses of the speed of the relative movement between
Rundumoptik und zu erfassender Oberfläche Diagrammform;All-round optics and surface to be recorded Diagram form;
Fig.9 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung einer9 shows a section through an inventive device for detecting a
Außenmantelfläche;Outer surface;
Fig.9a,b einen in der Vorrichtung gemäß Fig.9 verwendbaren Ringsensor bzw. einen9a, b a ring sensor that can be used in the device according to FIG
Flächensensor jeweils im Grundriß.Area sensor in each case in the floor plan.
In Fig.l ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Inspektion derIn Fig.l is a block diagram of an inventive device for inspecting the
Oberfläche eines Hohlraumes dargestellt. Mit Hilfe dieser Vorrichtung können insbesondere die Oberflächen von Bohrungen sowie die Innenflächen von Bechern und Trinkgläsern inspiziert werden. Das Prinzip der Erfindung ist aber nicht auf die Anwendung bei diesenSurface of a cavity shown. With the help of this device, the surfaces of bores as well as the inner surfaces of cups and drinking glasses can be inspected. The principle of the invention is not, however, applicable to them
Beispielen eingeschränkt, sondern kann vielmehr bei jedweder Art von Hohlraum eingesetzt werden.Examples limited, but rather can be used with any type of cavity.
Darüberhinaus können auch die Abbilder anderer zylindrischer Oberflächen, nämlich dieIn addition, the images of other cylindrical surfaces, namely the
Außenmantelflächen von zylindrischen Werkstücken, nach dem erfindungsgemäßen Prinzip erfaßt werden. Der prinzipielle Aufbau der jeweils notwendigen Vorrichtungen ist aber gleich. Im folgenden wird daher vornehmlich eine zur Inspektion von Hohlraumoberflächen geeignete Vorrichtung beschrieben.Outer surface of cylindrical workpieces, according to the principle of the invention be recorded. The basic structure of the necessary devices is the same. A device suitable for inspecting cavity surfaces is therefore described below.
Eine solche Vorrichtung umfaßt gemäß Fig.l im wesentlichen zwei Hauptbestandteile, nämlich einerseits die Bilderfassungseinheit 1 und andererseits die Bildauswerteinheit 2.According to FIG. 1, such a device essentially comprises two main components, namely on the one hand the image acquisition unit 1 and on the other hand the image evaluation unit 2.
Die Bilderfassungseinheit 1 weist eine Rundumoptik 6 auf, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche 13 erfaßt und auf einen optischen Sensor 8,8' (vgl. Fig.2,3) projiziert. Der elektrische Ausgang dieses Sensors 8,8' ist mit der Bildauswerteinheit 2 verbunden.The image capturing unit 1 has all-round optics 6, which captures light from the entire circumference of the cylindrical surface 13 and projects it onto an optical sensor 8, 8 '(see FIG. 2, 3). The electrical output of this sensor 8, 8 'is connected to the image evaluation unit 2.
Besagter Sensor 8,8' ist nicht so groß, daß die gesamte Oberfläche des zu inspizierendenSaid sensor 8,8 'is not so large that the entire surface of the object to be inspected
Hohlraumes auf ihn projiziert werden könnte, vielmehr kann lediglich ein Abschnitt -der wie unten noch näher erläutert ein ringscheibenförmiger, den gesamten Umfang umfassenderCavity could be projected onto it, rather only a section - which, as explained in more detail below, a ring disk-shaped, the entire circumference
Abschnitt der Oberfläche ist- auf ihn projiziert werden.Section of the surface is to be projected onto it.
Das Abbild des gesamten Hohlraumes muß daher schrittweise erfaßt werden, wozuThe image of the entire cavity must therefore be captured step by step, for what
Rundumoptik 6 und zylindrische Oberfläche 13 relativ zueinander bewegt werden und nachAll-round optics 6 and cylindrical surface 13 can be moved relative to each other and after
Abschluß eines vorgebbaren Bewegungsweges das gerade vom Sensor 8,8' erfaßte Teilabbild der Oberfläche von der Bildauswerteinheit 2 abgespeichert wird.Conclusion of a predeterminable movement path, the partial image of the surface that has just been detected by the sensor 8, 8 'is stored by the image evaluation unit 2.
Die während der Weiterbewegung der Oberfläche relativ zur Rundumoptik 6 erhaltenenThose obtained during the further movement of the surface relative to the all-round optics 6
Teilabbilder werden -in ebenfalls unten näher beschriebener Weise- zu einem Gesamtabbild der Oberfläche zusammengefügt.Partial images are combined into a total image of the surface in a manner also described below.
Die Bilderfassungseinheit 1 umfaßt gemäß Fig.l ein Endoskop 3, welches auf dem translatorisch verschiebbar gelagerten Schlitten 5 eines Linearantriebes 4 festgelegt ist.According to FIG. 1, the image acquisition unit 1 comprises an endoscope 3, which is fixed on the slide 5 of a linear drive 4 which is mounted in a translationally displaceable manner.
Dieser Linearantrieb 4 kann konstruktiv beliebig ausgebildet sein, als Beispiele können einThis linear drive 4 can be of any design, for example, a
Spindelantrieb (Gewindespindel ist um ihre Längsachse drehbar angetrieben, Schlitten 5 weist Innengewinde auf, welches von der Gewindespindel durchsetzt ist) oder ein pneumatischer Linearantrieb (Leichtlauf-Pneumatikzylinder, dessen freiesSpindle drive (threaded spindle is rotatably driven about its longitudinal axis, slide 5 has an internal thread which is penetrated by the threaded spindle) or a pneumatic linear drive (smooth-running pneumatic cylinder, its free
Kolbenstangenende den Schlitten 5 bildet) angegeben werden. Der Antrieb derPiston rod end forms the carriage 5) can be specified. The drive of the
Gewindespindel erfolgt dabei bevorzugterweise durch einen elektrischen Schritt- oderThreaded spindle is preferably carried out by an electrical step or
Servomotor, welche die Gewindespindel aber -wie unten noch näher erörtert wird- ununterbrochen antreiben.Servo motor, which - as will be discussed in more detail below - continuously drive the threaded spindle.
An der Spitze des Endoskops 3 ist die schon erwähnte Rundumoptik 6 festgelegt. Mit demThe already mentioned all-round optics 6 are fixed at the tip of the endoscope 3. With the
Begriff „Rundumoptik" wird im Zusammenhang mit Fig.l ein Objektiv verstanden, welches aufgrund seiner Ausbildung durchlässig für jedes Licht ist, das in einer etwa normal zu seiner geometrischen Symmetrieachse 7 verlaufenden Ebene auf sie einfällt (vgl. Fig.2). Von derThe term “all-round optics” is understood in connection with FIG. 1 to be an objective which, due to its design, is permeable to any light which is incident on it in a plane running approximately normal to its geometric axis of symmetry 7 (see FIG. 2)
Symmetrieachse 7 der Rundumoptik' 6 aus gesehen ist also ein „Rundumblick" um 360° möglich.As seen from the symmetry axis 7 of the all-round optics 6, a “360-degree view” is possible.
Die Relativbewegung zwischen Oberfläche 13 und Rundumoptik 6 wird hier also dadurch erreicht, daß die Oberfläche 13 bzw. das Werkstück, auf welchem sich diese Oberfläche 13 befindet, unbewegt gehalten und die Rundumoptik 6 relativ zur Oberfläche 13 bewegt wird. Weiterer Bestandteil der Bilderfassungseinheit 1 ist der optische Sensor 8,8', auf weichen das die Rundumoptik 6 durchsetzende Licht projiziert wird. Solche Bildsensoren sind an sich bekannt und beispielsweise als Ringsensoren 8 oder als Flächen- bzw. Matrixsensoren 8' ausgebildet.The relative movement between surface 13 and all-round optics 6 is here achieved in that the surface 13 or the workpiece on which this surface 13 is located is kept still and the all-round optics 6 is moved relative to the surface 13. Another component of the image acquisition unit 1 is the optical sensor 8, 8 'onto which the light passing through the all-round optics 6 is projected. Such image sensors are known per se and are designed, for example, as ring sensors 8 or as surface or matrix sensors 8 '.
Besonders bevorzugt wird dieser Sensor als Ringsensor 8 ausgebildet, was bedeutet, daß seine einzelnen Bilderfassungs-Bauelemente 9 ringförmig angeordnet sind. Im einfachsten Fall sind dabei diese Bilderfassungs-Bauelemente 9 an der Mantelfläche eines zylindrischen Trägers 10 festgelegt, wie in Fig.2 dargestellt. Das durch die Rundumoptik 6 einfallende Licht braucht bei dieser Bauform nicht umgelenkt werden sondern kann direkt auf den Sensor 8 auffallen gelassen werden.This sensor is particularly preferably designed as a ring sensor 8, which means that its individual image acquisition components 9 are arranged in a ring. In the simplest case, these image acquisition components 9 are fixed on the lateral surface of a cylindrical support 10, as shown in FIG. With this design, the light incident through the all-round optics 6 does not need to be deflected, but can be made to fall directly on the sensor 8.
Eine weitere, gängigere Bauform eines Ringsensors 6 liegt wie in Fig.3 dargestellt darin, die einzelnen Bilderfassungs-Bauelemente 9 auf einer ebenen Trägeroberfläche 11 anzubringen, sie dort aber ringförmig anzuordnen. Das durch die Rundumoptik 6 einfallende Licht muß auf diesen ringförmigen Sensor 8 umgeleitet werden, was beispielsweise durch einen Umlenkspiegel erfolgen kann, der als Pultspiegel 12 ausgebildet ist. Ein solcher Pultspiegel 12 hat wie aus Fig.3 hervorgeht, die Form eines auf der Spitze stehenden Kegelstumpfes, dessen Mantelfläche verspiegelt ist. Auch die Weiterleitung des einfallenden Lichtes mittels Lichtleiter ist möglich.A further, more common design of a ring sensor 6, as shown in FIG. 3, is to mount the individual image acquisition components 9 on a flat carrier surface 11, but to arrange them there in a ring. The light incident through the all-round optics 6 must be redirected to this ring-shaped sensor 8, which can be done, for example, by a deflecting mirror which is designed as a desk mirror 12. Such a desk mirror 12 has, as can be seen from FIG. 3, the shape of a truncated cone, the outer surface of which is mirrored. It is also possible to forward the incident light using a light guide.
Beide Arten von Ringsensoren 8 sind nur eine einzige Bildzeile umfassend aufgebaut, sodaß sie im Gegensatz zu Flächensensoren 8' (vgl. Fig.4a) kein größerflächiges Bild, sondern lediglich eine Bildzeile erfassen können.Both types of ring sensors 8 only have a single image line, so that, in contrast to surface sensors 8 '(cf. FIG. 4 a), they cannot detect a larger image, but only an image line.
Bei einem Flächen- oder Matrixsensor 8', so wie er ein Fig.4a im Detail dargestellt ist, sind die Bilderfassungs-Bauelemente 9 in Form einer rechteckigen Matrix angeordnet, sodaß auf diese Sensor-Bauform ein größerflächiges Bild projiziert werden kann. Beide Sensorbauformen können erfindungsgemäß eingesetzt werden, was weiter untenstehend noch erläutert wird.In the case of a surface or matrix sensor 8 ', as shown in FIG. 4a in detail, the image acquisition components 9 are arranged in the form of a rectangular matrix, so that a larger-area image can be projected onto this sensor design. Both sensor designs can be used according to the invention, which will be explained further below.
Weiters können sowohl Ringsensoren 8 als auch Flächensensoren in verschiedenen Technologien aufgebaut sein, als gängigste Beispiele seien die CMOS-Technologie und die CCD-Technologie erwähnt. Auch die Technologie des Sensors 8,8' ist nicht erfindungswesentlich und damit frei wählbar.Furthermore, both ring sensors 8 and area sensors can be constructed in different technologies, the most common examples being CMOS technology and CCD technology. The technology of the sensor 8, 8 'is also not essential to the invention and is therefore freely selectable.
Darüberhinaus ist die Position des Sensors 8,8' wählbar, wobei grundsätzlich zwei Möglichkeiten hierfür bestehen: Einerseits -insbesondere, wenn der Sensor 8,8' gemäß Fig.2 ausgebildet ist- könnte der Sensor 8,8' ebenfalls an der Spitze des Endoskops 3, nämlich innerhalb der Rundumoptik 6, liegen. Die von ihm erzeugten, dem gerade auf den Sensor 8,8' einfallenden Licht entsprechenden elektrischen Signale müssen dann mittels entsprechender elektrischer Leitungen 24 zur Bildverarbeitungseinheit 2 weitergeleitet werden. Andererseits könnte der Sensor 8,8' außerhalb der Rundumoptik 6, beispielsweise am anderen Ende des Endoskops 3 oder sonst am Schlitten 5 des Linearantriebes 4 festgelegt sein. Das durch die Rundumoptik 3 einfallende Licht müßte dabei dem Sensor 8,8' zugeführt werden, was beispielsweise mittels Lichtleiter oder Spiegelsystemen erfolgen kann. Unter Verwendung der zuletzt beschriebenen Ausführungsform kann das Endoskop 3 mit kleinerem Durchmesser ausgebildet werden, sodaß es auch zur Inspektion engerer Hohlräume verwendet werden kann.In addition, the position of the sensor 8, 8 'can be selected, whereby there are basically two possibilities for this: On the one hand — especially if the sensor 8, 8 ′ is designed according to FIG. 2 — the sensor 8, 8 ′ could also be at the tip of the endoscope 3, namely within the all-round optics 6. The electrical signals generated by it and corresponding to the light incident on the sensor 8, 8 ′ must then be forwarded to the image processing unit 2 by means of corresponding electrical lines 24. On the other hand, the sensor 8,8 'could be fixed outside the all-round optics 6, for example at the other end of the endoscope 3 or otherwise on the slide 5 of the linear drive 4 his. The light incident through the all-round optics 3 would have to be fed to the sensor 8,8 ', which can be done, for example, by means of light guides or mirror systems. Using the last-described embodiment, the endoscope 3 can be designed with a smaller diameter, so that it can also be used for the inspection of narrower cavities.
Beiden Anordnungsmöglichkeiten ist gemeinsam, daß der Sensor 8,8' starr mit der Rundumoptik 6 verbunden ist und gemeinsam mit dieser relativ zur Oberfläche weiterbewegt wird.Both possible arrangements have in common that the sensor 8, 8 'is rigidly connected to the all-round optics 6 and is moved together with the latter in relation to the surface.
Daneben ist es aber -wie in Fig.l mit strichlierten Linien dargestellt- auch möglich, den Sensor 8,8' außerhalb des Linearantriebes 4, d.h. stillstehend gegenüber der Rundumoptik 6 anzuordnen und das von der Rundumoptik 6 erfaßte Licht an den Sensor 8,8' weiterzuleiten, was vorzugsweise unter Verwendung von Lichtleitern 23 oder von Spiegelsystemen erfolgen kann. Auch diese Ausführungsform eignet sich insbesonders zur Inspektion von Hohlräumen mit kleinen Durchmessern.In addition, as shown in FIG. 1 with dashed lines, it is also possible to position the sensor 8,8 'outside the linear drive 4, i.e. to be arranged stationary with respect to the all-round optics 6 and to transmit the light detected by the all-round optics 6 to the sensor 8, 8 ', which can preferably be done using light guides 23 or mirror systems. This embodiment is also particularly suitable for the inspection of cavities with small diameters.
Weiters ist eine Beleuchtung des Hohlraumes vorgesehen, welche vorzugsweise ebenfalls am Endoskop 3 festgelegt ist.Illumination of the cavity is also provided, which is preferably also fixed on the endoscope 3.
Die Aufnahme eines Abbildes der Oberfläche einer Bohrung erfolgt mittels einer derart aufgebauten Anlage wie nachstehend an Hand der Fig.5 beschrieben. In dieser Fig.5 wurde der Übersicht halber nur die Oberfläche 13 einer Bohrung, nicht jedoch das Werkstück, innerhalb welchem diese Bohrung realiter eingebracht ist, dargestellt. Ausgegangen wird weiters von der besonders bevorzugten Ausbildung des Sensors 8 als CMOS-Ringsensor: Das Endoskop 3 umfassend zumindest die Rundumoptik 6, gegebenenfalls auch den CMOS- Ringsensor 8 wird in die zu inspizierende Bohrung entlang deren Symmetrieachse 14 hineinverschoben. Ist das Endoskop 3 soweit in die Bohrung hineinverschoben, daß das Abbild eines ersten ringscheibenförmigen Abschnittes 15, dessen Höhe h der Bauelementhöhe p des Ringsensors 8 entspricht, auf den Ringsensor 8 auftrifft, wird dieser Ringsensor 8 von der Bildverarbeitungseinheit 2 ausgelesen. Der vorgebbare Bewegungsweg, nach dessen Abschluß das gerade vom Sensor 8,8' erfaßte Teilabbild der Oberfläche 13 von der Bildauswerteinheit 2 abgespeichert wird, entspricht bei einem einzeiligen Ringsensor 8 also einer Pixelhöhe p.An image of the surface of a bore is recorded by means of a system constructed in this way as described below with reference to FIG. 5. For the sake of clarity, FIG. 5 shows only the surface 13 of a hole, but not the workpiece within which this hole is actually made. The particularly preferred embodiment of the sensor 8 as a CMOS ring sensor is also assumed: the endoscope 3 comprising at least the all-round optics 6, possibly also the CMOS ring sensor 8, is pushed into the hole to be inspected along its axis of symmetry 14. If the endoscope 3 is pushed so far into the bore that the image of a first annular disk-shaped section 15, the height h of which corresponds to the component height p of the ring sensor 8, strikes the ring sensor 8, this ring sensor 8 is read out by the image processing unit 2. The predeterminable movement path, after the conclusion of which the partial image of the surface 13 just detected by the sensor 8, 8 'is stored by the image evaluation unit 2, corresponds to a pixel height p in the case of a single-line ring sensor 8.
Um dieses Auslesen durchführen zu können, hat die Bildverarbeitungseinheit 2 die in Fig.l dargestellten Komponenten getaktete Schalter 16, Zwischenspeicher 17 und Gesamtbildspeicher 18. Jedes Bilderfassungs-Bauelement 9 des Sensors 8 liefert einen Wert, dessen Größe der Intensität des auf das betreffende Bilderfassungs-Bauelement 9 fallenden Lichtes entspricht. Vorzugsweises wird ein CMOS-Ringsensor 8 umfassend 2048 Bilderfassungs-Bauelemente 9 (=Pixel) eingesetzt, sodaß der Ausgang des CMOS- Ringsensors 8 2048 elektrische Signale umfaßt. Diese Signale werden an den Schalter 16 geführt, welcher mit einem Zwischenspeicher 17 verbunden ist, der eine der Anzahl der Bilderfassungs-Bauelemente 9 entsprechende Anzahl an Speicherplätzen aufweist. Ist wie beschrieben das Endoskop 3 soweit in die Bohrung verschoben, daß das Licht des ersten ringscheibenförmigen Abschnittes 15 auf den Ringsensor 8 auftrifft, wird der Schalter 16 von einem Weggeber 19 angesteuert, d.h. zum Durchschalten veranlaßt, wodurch die aktuellenIn order to be able to carry out this reading, the image processing unit 2 has the components clocked in FIG. 1, switches 16, intermediate storage 17 and total image storage 18. Each image capturing component 9 of the sensor 8 delivers a value, the size of which corresponds to the intensity of the image capturing in question. Component 9 corresponds to falling light. A CMOS ring sensor 8 comprising 2048 image acquisition components 9 (= pixels) is preferably used, so that the output of the CMOS ring sensor 8 comprises 2048 electrical signals. These signals are fed to the switch 16, which is connected to an intermediate memory 17 which has a number of memory locations corresponding to the number of image acquisition components 9. Is like described the endoscope 3 so far in the bore that the light of the first annular disc-shaped section 15 strikes the ring sensor 8, the switch 16 is controlled by a displacement sensor 19, ie caused to switch through, whereby the current
Sensor- Werte am Zwischenspeicher 17 anstehen und dort abgespeichert werden. Im diesemSensor values are present at the buffer store 17 and are stored there. In this
Zwischenspeicher 17 nachgeschalteten Gesamtbildspeicher 18 werden die imIntermediate memory 17 downstream total image memory 18 in the
Zwischenspeicher 17 stehenden Werte schließlich zu einem Gesamtabbild 21 der Oberfläche zusammengesetzt, was einfach durch Abspeicherung der Werte jedes OberflächenabschnittesFinally, intermediate values 17 are combined to form an overall image 21 of the surface, simply by storing the values of each surface section
15, 20, 22 in der betreffenden Zeile einer Bilddatei erfolgt (vgl. Fig.6).15, 20, 22 in the relevant line of an image file (see Fig. 6).
Nach Aufnahme einer Bildzeile wird das Endoskop 3 weiter in die Bohrung hineinverfahren, bis der Ringsensor 8 auf Höhe eines zweiten Abschnittes 20 liegt und der Ringsensor 8 erneut ausgelesen. Danach wird das Endoskop 3 wieder weiter verfahren und der RingsensorAfter an image line has been recorded, the endoscope 3 is moved further into the bore until the ring sensor 8 lies at the level of a second section 20 and the ring sensor 8 is read out again. Then the endoscope 3 is moved again and the ring sensor
8 ausgelesen. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Endoskop 3 durch die gesamte Bohrung hindurchgefuhrt wurde.8 read out. These steps are repeated until the endoscope 3 has been passed through the entire bore.
Es werden dabei ringscheibenförmige Abschnitte 15, 20, 22 der Bohrungsoberfläche vomThere are ring-shaped sections 15, 20, 22 of the bore surface from
Ringsensor 8 erfaßt, die von der nachgeschalteten Bildverarbeitungseinheit 2 zu einem gesamten, verebneten Abbild der Oberfläche zusammengefügt wird (vgl. Fig.6). Die Höhe h jedes erfaßten streifenförmigen Abschnittes 15, 20, 22 der Oberfläche 13 ist so hoch wie einRing sensor 8 is detected, which is combined by the downstream image processing unit 2 to form an entire, leveled image of the surface (see FIG. 6). The height h of each detected strip-shaped section 15, 20, 22 of the surface 13 is as high as one
Bildaufnahme-Element 9 (=Pixel) des Ringsensors 8.Image recording element 9 (= pixel) of the ring sensor 8.
Die bevorzugt eingesetzten CMOS-Ringsensoren 8 arbeiteten sehr schnell, sie weisenThe CMOS ring sensors 8 used with preference worked very quickly, they indicate
Aufhahmeraten im Bereich von 25 kHz auf, was bedeutet, daß sie 25.000 mal pro Sekunde ausgelesen werden können. Gerade die Verwendung solcher CMOS-Ringsensoren erlaubt es daher, das Endoskop 3 -nicht so wie obige genaue Funktionserläuterung eventuell vermuten läßt- getaktet, sondern in erfindungsgemäßer Weise ununterbrochen durch die Bohrung hindurchzuführen und besagte streifenförmige Oberflächenabschnitte 15, 20, 22 während dieser ununterbrochenen Bewegung aufzunehmen und in die Gesamtbild-Datei abzuspeichern.Acquisition rates in the range of 25 kHz, which means that they can be read out 25,000 times per second. It is precisely the use of such CMOS ring sensors that makes it possible to cycle the endoscope 3 — not as may be suspected, as the above detailed functional explanation may suggest, but instead to pass it continuously through the bore in the manner according to the invention and to record said strip-like surface sections 15, 20, 22 during this uninterrupted movement and save it in the overall image file.
Mit der Formulierung „ununterbrochen" wird im Rahmen dieser Beschreibung und denWith the wording "uninterrupted" in the context of this description and
Ansprüchen eine Bewegung verstanden, deren Geschwindigkeit zu keinem Zeitpunkt aufClaims understood a movement, the speed of which at no time
Null absinkt. Bevorzugterweise wird die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischenZero drops. The speed of the relative movement is preferably between
Rundumoptik 6 und Oberfläche 13 durchgehend gleich hoch gewählt, sodaß eine kontinuierliche Bewegung vorliegt (vgl. Fig.8a).All-round optics 6 and surface 13 are consistently chosen to be of the same height, so that there is a continuous movement (see FIG.
Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, daß die Geschwindigkeit der besagtenBut it is also within the scope of the invention that the speed of said
Relativbewegung für die Dauer des Abspeicherns eines Teilabbildes verringert wird (vgl.Relative movement is reduced for the duration of the storage of a partial image (cf.
Fig.8b).Fig. 8b).
Der CMOS-Ringsensor 8 wird daher jeweils nach Zurücklegen eines der Pixelhöhe h entsprechenden Weges ausgelesen, ohne dazu aber das Endoskop 3 anzuhalten.The CMOS ring sensor 8 is therefore read out each time a path corresponding to the pixel height h is covered, but without stopping the endoscope 3.
Der prinzipielle Aufbau eines in CMOS-Technologie gehaltenen Bilderfassungs-The basic structure of an image acquisition system using CMOS technology
Bauelementes, also eines Pixels des CMOS-Ringsensors 8, ist in Fig.7 dargestellt. DerartigeComponent, that is a pixel of the CMOS ring sensor 8, is shown in FIG. such
Sensoren bieten gegenüber herkömmlichen CCD-Sensoren viele Vorteile. Insbesondere weisen sie einen höheren Aussteuerbereich auf: Während CMOS-Sensoren etwa 120 dB aufweisen, was auch in kontrastreichen Umgebungen detailreiche Aufnahmen erlaubt, haben CCD-Sensoren hingegen nur 70 bis maximal 80dB. Dieser deutlich höhere Aussteuerbereich erleichtert die Erkennung von Fehlern auf spiegelnden Oberflächen, wie sie bei der Bohrungsinspektion in Druckgußteilen vorkommen können.Sensors offer many advantages over conventional CCD sensors. In particular they have a higher dynamic range: While CMOS sensors have about 120 dB, which allows detailed recordings even in high-contrast environments, CCD sensors, on the other hand, only have 70 to a maximum of 80dB. This significantly higher modulation range makes it easier to identify defects on reflective surfaces, such as those that can occur during die inspection in die-cast parts.
CMOS-Sensoren zeigen keinen Blooming-Effekt, der bei CCD-Sensoren auftritt, wenn ein sehr heller Lichtstrahl zu lange an derselben Stelle bleibt. Durch die intensive Beleuchtung gesättigte Pixel können ihre Ladung nicht mehr halten, sodaß diese auf Nachbarpixel abfließt und auch diese sättigen. Die Bildinformation der betroffenen Pixel ist dadurch verloren. Wie aus den vorstehenden Erläuterungen hervorgeht, muß die Abtastfrequenz, d.h. die Frequenz, mit welcher der Ringsensor 8 auslesen wird, direkt proportional zur Verfahrgeschwindigkeit des Endoskops 3 sein. Um diese Verkopplung von Abtastfrequenz und Verfahrgeschwindigkeit zu erreichen, ist der Weggeber 19 mit dem Linearantrieb 4 verbunden. Dieser Weggeber 19 triggert jeweils nach Verfahren des Endoskops 3 um eine Pixelhöhe den Schalter 16, sodaß die Bildauswerteinrichtung 2 zum Auslesen des Ringsensors 8 veranlaßt wird. Ein Vorteil dieser getriggerten Abtastung ist, daß die Verfahrgeschwindigkeit des Endoskops 3 in weiten Grenzen frei gewählt werden kann. Es kann somit z.B. bei Sacklochbohrungen sanft abgebremst werden, ohne daß sich dabei die Auflösung im aufgenommenen Bild ändert. Wenn die Verkuppelung von zurückgelegtem Endoskopweg und Abtastung veränderbar gestaltet wird, d.h. die Länge des Weges, nach dessen Zurücklegung eine erneute Abtastung zu erfolgen hat, veränderbar gehalten wird, kann dem aufgenommen Abbild eine veränderbare Auflösung gegeben werden: Wird der Endoskop- Weg zwischen zwei Abtastungen vergrößert, verringert sich die Auflösung des Abbildes in diesem Bereich, wird umgekehrt der Endoskop- Weg zwischen zwei Abtastungen verringert, erhöht sich die Auflösung des Abbildes. Damit können Bereiche der Bohrung, welchen uninteressant sind (z.B. weil dort Oberflächenfehler erfahrungsgemäß nicht auftreten bzw. weil in solchen Bereichen liegende Fehler für die Beurteilung der Qualität der Bohrung weniger interessant sind, mit verringerter Auflösung und mit größerer Geschwindigkeit abgetastet werden.CMOS sensors do not show the blooming effect that occurs with CCD sensors if a very bright light beam remains in the same place for too long. Pixels saturated by the intense lighting can no longer hold their charge, so that they flow to neighboring pixels and also saturate them. The image information of the affected pixels is lost. As can be seen from the above explanations, the sampling frequency, i.e. the frequency with which the ring sensor 8 is read out can be directly proportional to the travel speed of the endoscope 3. In order to achieve this coupling of sampling frequency and travel speed, the displacement sensor 19 is connected to the linear drive 4. This displacement sensor 19 triggers the switch 16 by one pixel height each time the endoscope 3 is moved, so that the image evaluation device 2 is caused to read out the ring sensor 8. An advantage of this triggered scanning is that the travel speed of the endoscope 3 can be freely selected within wide limits. Thus, e.g. in blind holes are gently braked without changing the resolution in the captured image. If the coupling of the covered endoscope path and scanning is made changeable, i.e. the length of the path, after which a new scan has to be carried out, is kept changeable, the recorded image can be given a variable resolution: if the endoscope path between two scans is increased, the resolution of the image in this area is reduced, conversely, the endoscope path between two scans is reduced, the resolution of the image increases. Areas of the hole that are of no interest (e.g. because experience has shown that surface defects do not occur there or because defects in such areas are less interesting for assessing the quality of the hole) can be scanned with reduced resolution and at a higher speed.
Die Verarbeitung des Gesamtabbildes 21 der Oberfläche, d.h. seine Untersuchung auf eventuell vorhandene Fehler in der Bohrungsoberfläche 13 erfolgt durch die Bildauswerteinheit 2, welche neben dem Gesamtspeicher 18 einen Computer umfaßt, auf welchem eine entsprechende Bildverarbeitungssoftware abläuft, die durch Vergleich des Oberflächen-Gesamtabbildes mit einem Referenzbild Fehlerstellen in der Oberfläche erkennt. Es ist in Abweichung der bisherigen Erörterung möglich, das die Rundumoptik 6 durchsetzende Licht auf einen in Fig.3 dargestellten Matrix-Sensor 8' zu projizieren, wo es ebenfalls ringförmig auftrifft.The processing of the overall image 21 of the surface, i.e. its examination for any existing defects in the bore surface 13 is carried out by the image evaluation unit 2, which, in addition to the total memory 18, comprises a computer on which corresponding image processing software runs, which recognizes defects in the surface by comparing the overall surface image with a reference image. In deviation from the previous discussion, it is possible to project the light passing through the all-round optics 6 onto a matrix sensor 8 'shown in FIG. 3, where it likewise strikes in a ring.
Der wichtigste funktionelle Unterschied zum Ringsensor 8 liegt darin, daß nicht nur eine Zeile, deren Höhe h der Pixelhöhe p entspricht, auf diesen Sensor 8' projiziert wird, sondern daß der auf den Sensor 8' projizierte Abschnitt ein breiterer, aber ebenso noch ein ringscheibenförmiger Abschnitt der Oberfläche 13 ist. Zur Erfassung des Gesamtabbildes der Oberfläche 13 ist dadurch die Aufnahme einer geringeren Anzahl von Teilabbildern notwendig.The most important functional difference to the ring sensor 8 is that not only one line, the height h of which corresponds to the pixel height p, is projected onto this sensor 8 ' , but rather that the portion projected onto the sensor 8 'is a wider, but also a ring-shaped portion of the surface 13. In order to record the overall image of the surface 13, a smaller number of partial images must therefore be recorded.
Der vorgebbare Bewegungsweg, nach dessen Abschluß das gerade vom Sensor 8,8' erfaßte Teilabbild der Oberfläche 13 von der Bildauswerteinheit 2 abgespeichert wird, entspricht bei einem Flächensensor 8' also der Breite des auf den Sensor 8' projizierbaren Oberflächenabschnittes .The predeterminable movement path, after the completion of which the partial image of the surface 13 just detected by the sensor 8, 8 'is stored by the image evaluation unit 2, corresponds in the case of a surface sensor 8' to the width of the surface section which can be projected onto the sensor 8 '.
Auch bei Verwendung eines Matrix-Sensors 8' erfolgt eine ununterbrochene Verschiebung des Endoskops 3, welche ununterbrochene Bewegung gemäß Fig.8a kontinuierlich sein kann oder während der Abspeicherung der Teilabbilder mit verminderter Geschwindigkeit erfolgen kann (vgl. Fig.δb).Even when a matrix sensor 8 'is used, there is an uninterrupted displacement of the endoscope 3, which can be continuous movement according to FIG. 8a or can take place at a reduced speed during the storage of the partial images (cf. FIG. Δb).
Wie eingangs erwähnt, ist es zum Erhalt eines Gesamtabbildes nur wichtig, Rundumoptik 6 und Oberfläche 13 relativ zueinander zu bewegen. Diese Relativbewegung kann auch dadurch erreicht werden, daß die Rundumoptik 6 unbewegbar gehalten wird und die Oberfläche relativ zur Rundumoptik 6 weiterbewegt wird. Dazu wird einfach das die Oberfläche 13 aufweisende Werkstück auf dem Schlitten 5 des Linearantriebes 6 festgelegt. Auch hier kann der optische Sensor 8,8' in unmittelbarer Nähe zur Rundumoptik 6 angeordnet sein und seine Ausgänge mit elektrischen Leitungen 24 mit der Bildauswerteinrichtung 2 verbunden sein oder aber eine beanstandete Anordnung von Rundumoptik 6 und Sensor 8,8' vorgesehen sein, wobei das die Rundumoptik 6 durchsetzende Licht mittels Lichtleiter und/oder Spiegelsystemen dem Sensor 8.8' zugeleitet wird.As mentioned at the beginning, in order to obtain an overall image, it is only important to move the all-round optics 6 and surface 13 relative to one another. This relative movement can also be achieved in that the all-round optics 6 are held immovably and the surface is moved relative to the all-round optics 6. For this purpose, the workpiece having the surface 13 is simply fixed on the slide 5 of the linear drive 6. Here, too, the optical sensor 8,8 'can be arranged in the immediate vicinity of the all-round optics 6 and its outputs can be connected to the image evaluation device 2 by means of electrical lines 24, or an objectionable arrangement of the all-round optics 6 and the sensor 8,8' can be provided, the the light passing through the all-round optics 6 is fed to the sensor 8.8 'by means of light guides and / or mirror systems.
Das erfindungsgemäße Prinzip kann wie bereits erwähnt auch zur Erfassung des Abbildes der Außenmantelfläche eines zylindrischen Körpers eingesetzt werden.As already mentioned, the principle according to the invention can also be used to record the image of the outer lateral surface of a cylindrical body.
Eine hierfür geeignete Bilderfassungseinheit 1 ist in Fig.9 dargestellt. Wesentlichster Unterschied zur bisher behandelten Vorrichtung zur Erfassung des Abbildes einer Hohlraum- Oberfläche liegt in der anderen Bauform der Rundumoptik 6.An image acquisition unit 1 suitable for this is shown in FIG. The most significant difference from the previously discussed device for recording the image of a cavity surface lies in the other design of the all-round optics 6.
Mit dem Begriff „Rundumoptik" wird im Zusammenhang mit der Erfassung eines im wesentlichen zylindrischen Außenmantels ein Objektiv verstanden, welches so ausgebildet ist, daß es Licht vom gesamten Umfang der Außenmantelfläche erfassen kann. Von der Symmetrieachse 7 einer solchen Rundumoptik 6 aus gesehen ist also ein „Rundumblick" um den gesamten Umfang des Außenmantels möglich.The term "all-round optics" in connection with the detection of an essentially cylindrical outer jacket is understood to mean a lens which is designed such that it can detect light from the entire circumference of the outer jacket surface. From the axis of symmetry 7 of such an all-round lens 6, one is therefore seen "All-round view" possible around the entire circumference of the outer jacket.
In Fig.9 ist eine mögliche Ausführungsform einer solchen Rundumoptik 6 dargestellt: Sie besteht aus einem prismatischen Spiegelkörper, der als Pultspiegel 25 ausgebildet ist, dessen Spiegelfläche 26 vorzugsweise innenliegend kegelstumpfförmig und halbdurchlässig ist. Dieser Pultspiegel 25 weist eine Durchgangsbohrung 29 auf, deren Symmetrieachse 27 mit der optischen Achse 7 des Pultspiegels 25 übereinstimmt. Durch besagte Durchgangsbohrung 29 wird das Werkstück 28, dessen Oberfläche 13 abgebildet werden soll, hindurchgeführt, was wieder mittels eines nicht näher dargestellten Linearantriebes 4 erfolgen kann.A possible embodiment of such an all-round optics 6 is shown in FIG. 9: It consists of a prismatic mirror body which is designed as a desk mirror 25, the mirror surface 26 of which is preferably frustoconical and semi-transparent on the inside. This desk mirror 25 has a through hole 29, the axis of symmetry 27 of which coincides with the optical axis 7 of the desk mirror 25. The workpiece 28, the surface 13 of which is to be imaged, is passed through said through bore 29, which can again be done by means of a linear drive 4, not shown in detail.
Oberhalb des Pultspiegels 25 ist ein Planspiegel 30 angeordnet, der geneigt zur optischen Achse des Pultspiegels 25 angeordnet ist und zur Umlenkung des vom Pultspiegel 25 kommenden Lichtes auf den Sensor 8,8' dient. Seitlich dieses Planspiegels 30 befindet sich ein Objektiv 31 zur optischen Abbildung; hinter dem Objektiv 31 ist der optische Sensor 8,8' angeordnet.A plane mirror 30 is arranged above the desk mirror 25, which is arranged inclined to the optical axis of the desk mirror 25 and serves to deflect the light coming from the desk mirror 25 onto the sensor 8,8 '. On the side of this plane mirror 30 there is an objective 31 for optical imaging; The optical sensor 8, 8 'is arranged behind the objective 31.
Das Werkstück 28 wird beleuchtet von einer Mehrzahl von das Werkstück 28 ringförmig umgebenden Lichtstrahlen 32,32', wobei der Auftreffwinkel der Lichtstrahlen 32,32' auf die Oberfläche 13 des Werkstückes 28, bezogen auf die optische Achse 7 ungleich 90° sein kann, sodaß die Lichtstrahlen 32,32' und die optische Achse 7 nicht senkrecht aufeinanderstellen, aber die Lichtstrahlen schräg die optische Achse durchsetzen. Der Pultspiegel 25 kann in geeigneter Weise im Auftreffbereich der Lichtstrahlen 32,32' lichtdurchlässig sein, so daß die das Werkstück 28 ringförmig umgebenden Lichtstrahlen 32,32' den Pultspiegel 25 und die halbdurchlässige Spiegelfläche 26 durchsetzen und innerhalb einer bestimmten Breite auf die gesamte, umlaufende Oberfläche des Werkstückes 28 fallen und dort einen mehr oder weniger schmalen Oberflächenring abtasten. Oder die Beleuchtung des Werkstückes 28 erfolgt ringförmig seitlich oberhalb des Pultspiegels 25. Von dort wird das Licht auf die Spiegelfläche 26 reflektiert oder auch Streulicht gelangt dorthin, von wo das reflektierte Licht 33,33 ' nach oben auf den Planspiegel 30 fällt, der das Licht auf das Objektiv 31 wirft, das das Licht bündelt und entsprechend des Abbildungsmaßstabes auf dem Sensor 8,8' abbildet.The workpiece 28 is illuminated by a plurality of light beams 32, 32 'surrounding the workpiece 28 in an annular manner, the angle of incidence of the light beams 32, 32' on the surface 13 of the workpiece 28, with respect to the optical axis 7, being not equal to 90 °, so that do not place the light beams 32, 32 'and the optical axis 7 perpendicular to one another, but the light beams penetrate the optical axis at an angle. The desk mirror 25 can be translucent in a suitable manner in the area of incidence of the light beams 32, 32 'so that the light beams 32, 32' surrounding the workpiece 28 penetrate the desk mirror 25 and the semi-transparent mirror surface 26 and within a certain width on the entire circumferential surface Fall surface of the workpiece 28 and there scan a more or less narrow surface ring. Or the workpiece 28 is illuminated in a ring laterally above the desk mirror 25. From there, the light is reflected onto the mirror surface 26 or scattered light reaches where the reflected light 33, 33 'falls upwards onto the plane mirror 30, which contains the light throws on the lens 31, which bundles the light and images it according to the imaging scale on the sensor 8,8 '.
Analog zur eingangs beschriebenen Erfassung einer Hohlraum-Oberfläche wird ein ringscheibenförmiger Abschnitt der Oberfläche 13 auf diesen Sensor 8,8' projiziert. Nach Auslesen des Sensors 8,8' und Abspeicherung der vom Sensor 8,8' gelieferten Bilddaten wird das Werkstück 28 um die Breite eines vom Sensor 8,8' erfaßbaren Oberflächenabschnittes weiter verfahren, welches Weiterverfahren ununterbrochen erfolgt. Dabei kann eine durchgehend kontinuierliche Bewegung gemäß Fig.8a vorgesehen sein oder zur Abspeicherung einer jeden Teilabbildung die Bewegungsgeschwindigkeit gemäß Fig.8b verringert werden.Analogous to the detection of a cavity surface described at the beginning, an annular disk-shaped section of the surface 13 is projected onto this sensor 8, 8 '. After readout of the sensor 8,8 'and storage of the sensor 8,8' image data supplied, the workpiece is moved further to the width of a 'detectable by the sensor 8.8 surface portion 28, which is carried out further process continuously. A continuous movement according to FIG. 8a can be provided or the movement speed according to FIG. 8b can be reduced to save each partial image.
Weiters kann dieser Sensor 8,8' entweder als einzeiliger Ringsensor 8 (Fig.9a) oder durch einen Matrix-Sensor 8' (Fig.9b) ausgebildet sein, wobei die Technologie des Sensors jeweils beliebig wählbar ist. vorzugsweise werden jedoch CMOS- oder CCD-Sensoren verwendet, insbesondere in CMOS-Technologie gehaltene Ringsensoren.Furthermore, this sensor 8, 8 'can either be designed as a single-line ring sensor 8 (FIG. 9a) or by a matrix sensor 8' (FIG. 9b), the technology of the sensor being selectable in each case. however, CMOS or CCD sensors are preferably used, in particular ring sensors held in CMOS technology.
Bei Verwendung von Ringsensoren 8 weisen die einzelnen Teilabbildungen wieder eine der Pixelhöhe p dieser Sensoren 8 entsprechende Höhe h auf, bei Verwendung von Flächensensoren 8' können die einzelnen Teilabbildungen breiter sein. Entsprechend der Breite des am Sensor 8,8' projizierbaren Oberflächen- Abschnittes ist derWhen using ring sensors 8, the individual partial images again have a height h corresponding to the pixel height p of these sensors 8; when using surface sensors 8 ', the individual partial images can be wider. Corresponding to the width of the surface section that can be projected onto the sensor 8, 8 ′,
Beweggungsweg zu wählen, nach dessen Abschluß das gerade vom Sensor 8,8' erfaßteMovement path to choose, after the completion of that just detected by the sensor 8,8 '
Oberflächen- Teilabbild von der Bildauswerteinheit 2 abgespeichert wird.Surface partial image is stored by the image evaluation unit 2.
Abweichend von der Darstellung gemäß Fig.9 kann zur Erreichung der Relativbewegung zwischen Oberfläche 13 und Rundumoptik 6 auch das Werkstück 28 unbewegbar gehalten werden und die Rundumoptik 6 verschoben werden, wozu letztere auf dem Schlitten 5 eines9, in order to achieve the relative movement between surface 13 and all-round optics 6, the workpiece 28 can also be held immovably and the all-round optics 6 can be moved, for which purpose the latter on the carriage 5
Linearantriebes 4 festgelegt ist. Dabei können die Komponenten Planspiegel 30, Objektiv 31 und Sensor 8,8' mitbeweglich gehalten, also ebenso am Schlitten 5 des Linearantriebes 4 festgelegt werden oder aber auch außerhalb des Linearantriebes 4 liegen, also unbeweglich gegenüber der Rundumoptik 6 gehalten sein.Linear drive 4 is fixed. The components of the plane mirror 30, lens 31 and sensor 8, 8 'can also be kept movable, that is, they can also be fixed on the slide 5 of the linear drive 4, or they can also lie outside the linear drive 4, that is, they can be held immovably with respect to the all-round optics 6.
Wenngleich nicht in expliziten Zeichnungen dargestellt und im Detail erläutert, kann dieAlthough not shown in explicit drawings and explained in detail, the
Rundumoptik 6 auch in jeder anderen Bauweise ausgeführt sein.All-round optics 6 can also be designed in any other design.
Die Weiterleitung der Lichtstrahlen kann in Abweichung von Fig.9 auch mittels Lichtleiter erfolgen. In deviation from FIG. 9, the light beams can also be passed on by means of light guides.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS
1. Verfahren zur Erfassung eines Abbildes einer im wesentlichen zylindrischen Oberfläche (13), wie Oberfläche eines Hohlraumes bzw. Außenmantel eines in wesentlichen zylindrischen Werkstückes gekennzeichnet durch eine Bilderfassungseinheit (1) und eine Bildauswerteinheit (2), wobei die Bilderfassungseinheit (1) eine Rundumoptik (6) aufweist, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche (13) erfaßt und auf einen optischen Sensor (8,8') projiziert, wobei Rundumoptik (6) und zylindrische Oberfläche (13) relativ zueinander bewegt werden und nach Abschluß eines vorgebbaren Bewegungsweges das gerade vom Sensor (8,8') erfaßte Teilabbild der Oberfläche von der Bildauswerteinheit (2) abgespeichert und sämtliche Teilabbilder zu einem Gesamtabbild der Oberfläche zusammengefugt werden und Rundumoptik (6) und zylindrische Oberfläche (13) ununterbrochen relativ zueinander bewegt werden.1. A method for capturing an image of an essentially cylindrical surface (13), such as the surface of a cavity or outer jacket of an essentially cylindrical workpiece, characterized by an image capturing unit (1) and an image evaluating unit (2), the image capturing unit (1) having all-round optics (6), which detects light from the entire circumference of the cylindrical surface (13) and projects it onto an optical sensor (8, 8 '), the all-round optics (6) and the cylindrical surface (13) being moved relative to one another and after the completion of a predefinable one The partial image of the surface just detected by the sensor (8, 8 ') is stored by the image evaluation unit (2) and all partial images are combined to form an overall image of the surface and the all-round optics (6) and cylindrical surface (13) are continuously moved relative to one another.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Rundumoptik (6) und der Oberfläche (13) für die Dauer des Abspeicherns eines Teilabbildes verringert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the speed of the relative movement between the all-round optics (6) and the surface (13) is reduced for the duration of the storage of a partial image.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Rundumoptik (6) und der Oberfläche (13) durchgehend gleich hoch gewählt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the speed of the relative movement between the all-round optics (6) and the surface (13) is chosen to be the same throughout.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (13) unbewegt gehalten und die Rundumoptik (6) relativ zur Oberfläche (13) weiterbewegt wird.4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the surface (13) is kept still and the all-round optics (6) is moved relative to the surface (13).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (8,8') stillstehend gegenüber der Rundumoptik (6) gehalten wird und das von der Rundumoptik (6) erfaßte Licht, vorzugsweise unter Verwendung von Lichtleitern oder Spiegelsystemen, auf den optischen Sensor (8,8') projiziert wird. 5. The method according to claim 4, characterized in that the optical sensor (8,8 ' ) is held stationary with respect to the all-round optics (6) and the light detected by the all-round optics (6), preferably using light guides or mirror systems, on the optical sensor (8,8 ') is projected.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (8,8') starr mit der Rundumoptik (6) verbunden wird und gemeinsam mit dieser relativ zur Oberfläche weiterbewegt wird.6. The method according to claim 4, characterized in that the optical sensor (8,8 ') is rigidly connected to the all-round optics (6) and is moved together with this relative to the surface.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rundumoptik (6) unbewegbar gehalten wird und die Oberfläche (13) relativ zur Rundumoptik (6) weiterbewegt wird.7. The method according to claim 4, characterized in that the all-round optics (6) is held immovably and the surface (13) is moved relative to the all-round optics (6).
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der Bildauswerteinheit (2) durch Vergleich des Oberflächen-Gesamtabbildes mit einem Referenzbild Fehlerstellen in der Oberfläche (13) erkannt werden.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the image evaluation unit (2) by comparing the overall surface image with a reference image defects in the surface (13) are recognized.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Bilderfassungseinheit (1) und eine Bildauswerteinheit (2), wobei die Bilderfassungseinheit (1) eine Rundumoptik (6) aufweist, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche (13) erfaßt und auf einen optischen Sensor (8,8') projiziert, wobei Rundumoptik (6) und zylindrische Oberfläche (13) relativ zueinander bewegbar gehalten sind und der optische Sensor (8) ein Ringsensor ist.9. Device for performing the method according to one of claims 1 to 8, characterized by an image acquisition unit (1) and an image evaluation unit (2), wherein the image acquisition unit (1) has all-round optics (6), the light from the entire circumference of the cylindrical surface (13) detected and projected onto an optical sensor (8, 8 '), the all-round optics (6) and cylindrical surface (13) being held movable relative to one another and the optical sensor (8) being a ring sensor.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Bilderfassungseinheit (1) und eine Bildaus werteinheit (2), wobei die Bilderfassungseinheit (1) eine Rundumoptik (6) aufweist, die Licht vom gesamten Umfang der zylindrischen Oberfläche (13) erfaßt und auf einen optischen Sensor (8,8') projiziert, wobei Rundumoptik (6) und zylindrische Oberfläche (13) relativ zueinander bewegbar gehalten sind und der optische Sensor (8') ein Matrix-Sensor ist.10. The device for carrying out the method according to one of claims 1 to 8, characterized by an image acquisition unit (1) and an image evaluation unit (2), the image acquisition unit (1) having all-round optics (6) which emit light from the entire circumference of the cylindrical Surface (13) detected and projected onto an optical sensor (8,8 '), the all-round optics (6) and cylindrical surface (13) being held movable relative to one another and the optical sensor (8') being a matrix sensor.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (8,8') in CMOS-Technologie ausgeführt ist.11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that the optical sensor (8,8 ') is carried out in CMOS technology.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10. dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (8,8') in CCD-Technologie ausgeführt ist. 12. The apparatus of claim 9 or 10, characterized in that the optical sensor (8,8 ') is carried out in CCD technology.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rundumoptik (6) und gegebenenfalls der optische Sensor (8,8') auf einem ununterbrochen weiterbewegbaren Linearantrieb (4) festgelegt sind.13. Device according to one of claims 9 to 12, characterized in that the all-round optics (6) and optionally the optical sensor (8, 8 ' ) are fixed on a continuously movable linear drive (4).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearantrieb (4) durch einen elektrischen Spindelantrieb gebildet ist.14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the linear drive (4) is formed by an electrical spindle drive.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindespindel des Spindelantriebes durch einen elektrischen Schritt- oder Servomotor gebildet ist.15. The apparatus according to claim 14, characterized in that the threaded spindle of the spindle drive is formed by an electrical stepper or servo motor.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearantrieb (4) durch einen pneumatischen Leichtlauf-Zylinder gebildet ist. 16. The apparatus according to claim 13, characterized in that the linear drive (4) is formed by a pneumatic smooth-running cylinder.
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