DE3007233C2

DE3007233C2 - Verfahren und Einrichtung zur Fehlerbestimmung von Oberflächen

Info

Publication number: DE3007233C2
Application number: DE3007233A
Authority: DE
Inventors: Donald A. Windsor Ontario Clarke; Omer L. Hageniers; Nicholas Liptay-Wagner; Walter J. Pastorius; Timothy R. Pryor; Blaine Indianapolis Mich. Richards
Original assignee: Diffracto Ltd Canada
Current assignee: Sensor Adaptive Machines Inc
Priority date: 1979-02-27
Filing date: 1980-02-27
Publication date: 1984-06-07
Also published as: GB2047882B; DE3050974A1; DE3050975A1; US4305661A; GB2047882A; JPS55154405A; DE3007233A1; DE3050855C2; DE3050976A1

Description

jedoch häufig so groß, daß darunter die Ermittlung der wirklichen Oberflächenfehler leidet oder gar unmöglich gemacht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der betreffenden Art zu schaffen, mit der die genannten Nachteile vermieden werden, also eine gleichbleibend genaue Feststellung von Fehlern und Eigentümlichkeiten einer Oberfläche unabhängig von der Grundhelligkeit des den Fehler oder die Eigentümlichkeit umgebenden Flächenbereiches einfach und zuverlässig durchführbar ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 12 angegebenen Lehren gelöst

Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre werden Bezugssignale unmittelbar von einem dem Meß- oder Prüfort benachbarten Flächenteil abgeleitet und daraus eine Bezugsspannung gebildet, die somit dynamisch ist und sich damit den tatsächlichen Oberflächenverhältnissen im Nachbarschaftsbereich des Meßortes automatisch anpaßt Dadurch ist es möglich. Fehler in der Oberfläche z. B. von der Verschmutzung der Oberfläche zu unterscheiden, was bei der bisherigen Technik, die mit einer festen Bezugsspannung arbeitet, nicht möglich war.

Anhand der Zeichnung sollen die Erfindung und Weiterbildungen davon erläutert werden. Es zeigt

F ιg. 1 in schematischer Darstellung und teilweise geschnitten eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine teilweise geschnittene schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindunesgemäßen Vorrichtung, ^s

F i g. 3 die Unteransicht eines sogenannten Kronenkorkens zum Verschließen einer Flasche F1 g. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Einzelheit der dritten Ausführungsform der erfindunesgemäßen Vorrichtung,

Fig.5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Teils einer vierten Ausführungsform der .-rfinduneseernäßen Vorrichtung, ' ^{6 6}

Fi g. 6 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer fünften Ausführungsform der erfindungseemäßen Vorrichtung,

Fig.7 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer sechsten Ausführungsform der erfinduneseemäßen Vorrichtung. ^a

In Fig. 1 ist ein Gerät 10 zum Untersuchen einer Bohrung schematisch dargestellt. Die zu untersuchende Bohrungsoberflache 11 ist die innere Zylinderfläche eines rohrförmigen Gegenstandes 12. Der rohrförmige Gegenstand 12 kann ein beliebiges Teil sein wie ein hydraulischer Bremszylinder oder dergleichen und ist der Einfachheit halber als gewöhnliches zylindrisches Rohr dargestellt. Zur Veranschaulichung sei angenommen daß die Bohrung durch spanende Bearbeitung hergestellt sei und es nun erwünscht ist festzustellen ob auf der Bohrungsoberfläche irgendwelche Fehler in Gestalt von Löchern vorhanden sind, die vom Gießen oder Spanend-Bearbeiten herrühren. Das Gerät 10 weist eine Sonde 13 auf, die axial innerhalb der Bohrung 14 des Rohrteils 12 in Richtung des Pfeils A in F i g. 1 beweglich ist Die Sonde läßt sich auf irgendeine herkömmliche Weise wie durch horizontales Verschieben des gesamten Gerätes 10 unter Verschieben des Rohrteils 12 gegenüber dem Gerät 10 bewegen. Das äußere Ende der Sonde 13 trägt einen Spiegel 15 mit einer Spiegelfläche 16, die in Gestalt eines konischen Rotationskörpers ausgebildet ist. Die Spiegelfläche 16 ist vorzugsweise parabolisch oder im wesentlichen derart ausgebildet. Die Sonde 13 ist auf irgendeine herkömmliche Weise so gelagert, daß sie sich koaxial in eine vorbestimmte Stellung innerhalb der Bohrung 14 bringen läßt Beispiels» eise kann das Gerät einen Tisch oder ein Bett 17 aufweisen, der bzw. das sowohl das Rohrteil 12 als auch ein Gehäuse IL tragt das seinerseits die Sonde 13 trägt. Das Gerät weist geeignete Klemmen oder andere Mittel zur Befestigung des Gehäuses 18 und des Rohrteils 12 in der gezeigten Stellung auf, so daß die Sonde 13 axial innerhalb der Bohrung 14 beweglich ist. Zu diesem Zweck weist das Gerät vorzugsweise Mittel zum Einstellen der Lage der Sonde 13 und/oder des Gehäuses 18 im Verhältnis zu dem zu untersuchenden Gegenstand auf Beispielsweise kann der Teil 174 des Tisches 17, auf welchem das Rohrteil 12 lösbar befestigt ist, vertikal und horizontal in rechten Winkeln zu dem Pfeil A bewegbar sein, um die Bohrung und die Sonde zueinander auszurichten. Der zu untersuchende Gegenstand ist dem Gehäuse 18 gegenüber derart angeordnet, daß die bonds in die Bohrung m einem Ausmaß eintreten kann, das notwendig ist, um den gewünschten Bereich der Bohrungsoberflache 11 im einzelnen zu untersuchen. Im einfachsten Fall wird die am Gehäuse 18 befestigte Sonde 13 durch einen motorisch angetriebenen Schlitten 17Ö in Richtung des Pfeils A unter dem Einfluß einer beliebigen, nicht gezeigten Steuereinrichtung bewegt.

Licht von einer Lichtquelle 19 wird durch eine Linse 20 und weiter durch die hohle Sonde 13 auf die parabolische Spiegelobertläche 16 des Spiegels 15 gerichtet, der am äußeren Ende der Sonde 13 befestigt ist Die Lichtquelle 19 ist gewöhnlich eine herkömmliche Halogenlampe. Oer Spiegel ist so ausgebildet, daß er das Licht =5 auf der Bohrungsoberfläche 11 in Gestalt eines hellen Umfangringes fokussiert, der in F i g. 1 mit 21 bezeichnet ' ist Der helle LJchtnng 21 wird von der Spiegeloberflflche 16 durch die hohle Sonde 13 reflektiert und von einem Lichtdetektorfeld 22 über eine Linse 23 und einen Strahlabspalter 24 empfangen. Das Lichtdetektorfeld ist bei dieser Ausfuhrungsform vorzugsweise rund in Hinblick auf den runden Querschnitt des von der Bohrungsoberflache 111 reflektierte,, Lichtstrahls. Ein Beispiel für ein geeignetes Deteki.orfeld ist ein kreisförmiges selbst eo abtastendes Fotodiodenfeld. Zum Beispiel läßt sich ein handelsübliches kreisförmiges Detektorfeld mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 cm und 720 Fotodioden auf Einhalb-Grad-Zentren verwenden. Die Spiegeloberflache 16 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß sie das auf die Bohrungsoberfläche 11 auftreffende Licht fokussiert und einen intensiven hellen Lichtring erzeugt, der sich von den Fotodioden im Detektorfeld 22 leicht erfassen laßt Der Spiegel 15 ist in einer Stellung am äußersten Ende der Sonde 13 auf irgendeine passende Weise wie mit es Hilfe eines Befestigungsgliedes 25 befestigt, das einerseits am Spiegel 15 und andererseits an einem durchscheinenden Glied 26, vorzugsweise Glas, angebracht ist, welches seinerseits innerhalb der Sonde 13 befestigt ist Das durchscheinende Glied 26 ist vorzugsweise gegenüber der Sondenachse geneigt, um die Reflektion von auffal-

lendem Licht zurück zum Detektor 22 zu vermindern.

In dem Gebrauch wird der zu untersuchende Gegenstand in Gestalt des Rohrteils 12 auf dem Tisch 17/4 dergestalt angeordnet, daß die Sonde koaxial in die Bohrung 14 einfahren kann. Im Gebrauch läßt sich durch axiales Verschieben der Sonde 13 entlang der Bohrung jeder aufeinanderfolgende Bereich der Bohrungslänge nacheinander durch das Detektorfeld abtasten, der typisch mit Geschwindigkeiten von mehreren tausend Abtastwechseln pro Sekunde arbeiten kann. Dies ermöglicht eine außerordentlich schnelle Abtastung der Bohrung mit beträchtlicher Feinheit. Beispielsweise kann im Fall eines 7"-Rohres mit einem Durchmesser von 4,3 cm die Bohrung in etwa einer Sekunde dergestalt abgetastet werden, daß ein jedes Detektorelement einen Bereich von etwa 0,18 χ 0,76 mm (angenähert) in einem beliebigen Abtastgang erfaßt. Offensichtlich läßt sich das

ίο Auflösungsvermögen durch Verwendung verschiedener Detektorfelder und durch Veränderung des Vergrößerungsfaktors der Linse 23 vergrößern oder verkleinern. Beispielsweise sind in dem vorstehend beschriebenen System der Bohrungsdurchmesser 4,3 cm und der Durchmesser des kreisförmigen Detektors 0,71 cm. Wenn der Durchmesser des Detektors auf beispielsweise 4,3 cm vergrößert wird und die Größe der einzelnen Detektorelemente beibehalten wird, würde die Anzahl der Detektorelemente von 720 auf über 4000 ansteigen, und das Auflösungsvermögen würde entsprechend zunehmen. Natürlich müßte in diesem Fall die Linse 23 so bemessen werden, daß sie das reflektierte Licht auf dem größeren Detektorfeld abbildet. Die Linse 23 und die anderen optischen Elemente des Systems sind deshalb vorzugsweise zur Anpassung an die verschiedenen Anwendungsfälle des Gerätes einstellbar.
Das von der Bohrungseberfiäche reflektier'.¹? licht zeigt auf einfache Weise körperliche Merkmale wie Schmutz, Löcher, Einsenkungen, Grate, Beulen und dergleichen innerhalb des beleuchteten Bereiches der Bohrungsoberfläche an. Diese erscheinen in dem reflektierten Licht als Zonen abweichender Intensität. Die Größe und Intensität jener Zonen hängt natürlich von dem Ausmaß und der Natur der körperlichen Eigentümlichkeiten ab, auf welche das fokussierte Licht auftrifft. Im dargestellten Fall, in welchem die Bohrung durch spanende Bearbeitung hergestellt ist, ist es erwünscht, Fehler in Form von Eindrückungen wie die in F i g. 1 übertrieben dargestellte Pore 27 zu ermitteln. Diese Fehler werden durch eine wesentliche Verminderung im reflektierten Licht angezeigt. In einigen Fällen wie dann, wenn der Fehler groß ist, läßt er sich durch Prüfung des reflektierten Lichtes mit bloßem Auge feststellen. Beim Halten der Sonde in einer festen Stellung mit auf eine Fehlerstelle wie eine Pore 27 auftreffendem Licht beispielsweise kann in dem reflektierten Lichtring leicht ein dunkler Fleck durch beispielsweise Projizieren des reflektierten Lichtringes auf einen Bildschirm erblickt werden. Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung liegt jedoch in der Schaffung eines schnellen und zuverlässigen Verfahrens zur Untersuchungen von Bohrungen und dergleichen, und dies wird in Übereinstimmung mit der Erfindung durch automatisches Prüfen des reflektierten Lichtes in einer entsprechenden Verarbeitungseinheit zuwege gebracht, in welcher ein Vergleich zwischen dem von einem Bereich der Bohrungsoberfläche reflektierten Licht mit dem Licht durchgeführt wird, daß von einer bekannten Standard-Bohrungsoberfläche und/oder weiteren Bereich der Bohrungsoberfläche an Stellen zu beiden Seiten und in unmittelbarer Nachbarschaft des ersterwähnten Bereichs der Bohrung durchgeführt wird.

Im üblichen Fall ist der untersuchte Bereich diejenige Zone, von der das reflektierte Licht durch ein individuelles Detektorelement in dem Detektorfeld empfangen wird, obgleich der zu untersuchende Bereich länger sein kann. Ferner bildet im üblichen Fall ein jeder weiterer zu Vergleichszwecken herangezogener Bereich eine Zone an der Bohrungsoberfläche, von welcher reflektiertes Licht von mindestens einem individuellen Detektorelement empfangen wird. Es ist wichtig, daß die Analyse des reflektierten Lichtes Änderungen in der Lichtstärke rings um die Bohrungsoberfläche aufgrund verschiedener Faktoren wie Verschmutzung der Bohrung, mangelhafte Ausrichtung der Sonde innerhalb der Bohrung (beispielsweise keine exakt koaxiale Lage) oder andere Eigenschaften der Bohrungen in Betracht zieht, die nicht Fehler des gesuchten Typs sind, welche aber ungeachtet dessen Änderungen in der Lichtstärke hervorrufen können. Demgemäß werden die elektrischen Ausgangssignale 28 vom Detektorfeld 22 in die automatische Verarbeitungseinheit 29 eingegeben.

Wie oben erwähnt, ist das Fotodetektorfeld 22 im Handel erhältlich. Diese Felder sind in vielen Ausführungen vorhanden und lassen sich leicht erwerben. Die meisten Detektorfelder verwenden von Halbleitern gebildet, lichtempfindliche Elemente wie Fotodioden, obwohl andere Elemente wie fotoempfindliche Transistoren gleichfalls verwendbar sind. Fotoempfindliche Video-Kameras mit einer quadratischen Matrix von 128 χ 128 fotoempfindlichen Elt/nenten sind eine im Handel erhältliche Ausführungsform. Andere im Handel verfügbare FoK,- Detektoren bestehen aus linearen Anordnungen und rechteckigen Matrix-Anordnungen. Jeder beliebige Typ einer Video-Kamera läßt sich verwenden einschließlich solcher mit Zeilenabtastung, wie sie bei herkömmlichen Fernsehübertragungen verwendet werden. Natürlich muß die jeweilige Schaltung in der automatischen Verarbeitungseinheit dem besonderen Typ des verwendeten Video-Detektors entsprechen.

Die Vorrichtung nach F i g. 2 dient zur Untersuchung von Kronenkorken mit gezahnter Umfangskante, wie sie in großem Umfang für alkoholfreie Getränke, Bier und dergleichen verwendet werden. Ein typischer solcher Korken ist in F i g. 3 dargestellt. Der Kronenkorken 30 weist einen gezahnten Umfangsabschnitt 31, einen Dichtungsbereich 32 und einen Flachbereich 33 auf. Fehler in einem jeden dieser Bereiche können zu einem unsicheren Verschluß mit der Folge einer Leckage und dergleichen führen. Diese Verschlußkappen müssen in großen Stückzahlen mit schneller Folge massengefertigt werden, und hierfür schafft die in F i g. 2 gezeigte Vorrichtung ein automatisches Untersuchungssystem, das in der Lage ist, fehlerhafte Korken oder Kappen bei normalen Herstellungsstückzahlun zu identifizieren.

Alle optischen Komponenten der Vorrichtung nach Fig. 2 sind in einem geeigneten Gehäuse (nicht darge-

<-.5 steüt) über der Untersuchungsstation 40 angeordnet Ein (nicht gezeigtes) Glasfenster im Boden des Gehäuses gestattet einem Lichtstrahl von einer (nicht gezeigten) Blitzröhre, die Kappe 30 zu beleuchten. Eine zur Kappe 30 fluchtend ausgerichtete Linse 41 oberhalb der Kappe bildet das Kappenbild auf der Oberfläche eines Fotodiodenfeldes 42 ab, das sich innerhalb einer Unter-Verkleidung 43 befindet Die (nicht gezeigte) Blitzröhre

ist ringförmig ausgebildet und um ein Schirmrohr 44 herum angeordnet, das sich von der Linse 41 nach abwärts erstreckt. Der Fühler 22 besteht aus einem selbstabtastenden ringförmigen Fotodiodenfeld, wie es oben in Verbindung mit Fig.) beschrieben ist. Das Feld besteht aus 720 getrennten Fotodioden oder Elementen, die zu einem Ring konzentrisch zur Linse 41, zur Blitzröhre und zur Kappe 30 angeordnet sind. Der Elementenabstand beträgt '/2 Grad. Die inneren und äußeren Radien des Feldes sind 3,46 bzw. 3,65 mm, so daß die Länge eines jeden Elements in radialer Richtung 0,2 mm beträgt. Jedes Element ist 0,02 mm breit, und der Elementenabstand am Innenradius beträgt 0,03 mm. Das zwischen die Elemente einfallende Licht wird von dem nächsten Element erfaßt, da die gesamte Fläche fotoempfindlich ist.

Die 'Jnse 41 bildet das Korken- oder Kappenbild auf dem Feld derart ab, daß die Bildgröße kleiner ist als die Kappe reibst, da das Feld seinerseits kleiner ist. Dieser Verkleinerungsfaktor ist veränderlich, so daß eine jede Zone zwischen der Dichtung und den Zahnungen der Kappe 30 auf dem Feld 42 abgebildet werden kann. Dies geschieht durch körperliches Verstellen dir Linsen-Feld-Kombination (d. h. des gesamten optischen Kopfes) näher an oder weiter weg von der Kappe durch nicht gezeigte geeignete Mittel. Somit bleibt die Feldgröße konstant, und die Bildgröße wird tunlichst verändert.

In Kenntnis der körperlichen Abmessungen der Kappe 30 und der Feldgeometrie ist es möglich zu errechnen, welche körperliche Dimension der Kappe von dem empfindlichen Bereich des Feldes überdeckt wird. Beispielsweise beträgt der angenäherte mittlere Durchmesser 20,6 mm. Da der mittlere Felddurchmesser 7,1 mm beträgt,

ist die optische Verkleinerung -r-r- —2,9. Somit wird das Bild der Kappe zur Untersuchung der Dichtung um

'»1

das 2,9fache gegenüber der tatsächlichen Kappengröße verkleinert. Da die Feldelemente radial 0.2 mm lang sind und ihr Abstand am Innenradius 0,03 mm beträgt, erfaßt ein jedes Feld 0,58 mm in radialer Richtung und 0,087 mm in Umfangsrichtung. Für andere Zonen lassen sich ähnliche Rechnungen durchführen, die zu den nachstehenden Ergebnissen führen:

angenäh. Durchmesser an Kappe

optische Verkleinerung

Von einem Element radial erfaßte Länge

Von einem Element in Umfangsrichtung erfaßte Länge

Dichtung	20,6 mm	2,9	0,58 mm	0,089 mm
Flac\teil	23,9 mm	3,4	0,69 mm	0,tO4mm
Zahnung	30,0 mm	4,2	0,86 mm	0,127 mm

An der Außenseite des Gehäuses sind vorzugsweise eine Skala und ein Zeiger (nicht gezeigt) angebracht, um anzuzeigen, wo das Gehäuse für jede Untersuchungszone konditioniert werden sollte. Der Fokussierring der Linse wird für jede Zone eingestellt

Das elektrische Ausgangssignal von jeder Fotodiode ist proportional der Intensität des empfangenen Lichtes bis zum Sättigungspunkt Eine vollständig ebenmäßige Oberfläche (d. h. eine gute Dichtung) wird für ein jedes Element dasselbe Ausgangssignal erzeugen. Eine unregelmäßige Oberfläche wird demgegenüber zu gewissen Abweichungen von der Gleichförmigkeit führen. Beispielsweise wird ein Dichtspalt einen hellen Fleck an der Kappe aufgrund dessen erzeugen, daß das darunterliegende Metall stärker hervortritt Die Fotodioden, welche diese Fläche erfassen, zeigen dann ein höheres Ausgabesignal. Durch Anwendung geeigneter elektronischer Schwellen auf das Signal kann, wie oben in Verbindung mit F i g. 1 erläutert, die Abweichung ermittelt und in bezug auf das Ausmaß des Fehlers quantitativ bestimmt werden. Es wird vorgezogen, die Signale von dem Detektorfeld 42 in der oben in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 beschriebenen Weise zu verarbeiten. Fehler in der Dichtzone der Flach- oder Flaschenzone und dem gezahnten Kantenbereich werden auf diese Weise leicht ermittelt

Bei einer alternativen Ausführung kann das Detektorfeld 42 aus drei konzentrischen Ringfeldern bestehen, und zwar je einem für jede Zone der zu untersuchenden Flaschenkappe. Dies würde die gleichzeitige Untersuchung aller dieser interessierenden Bereiche ermöglichen und die Notwendigkeit einer Verstellung der Linse 41 erübrigen.

Es leuchtet ein, daß die Ausführung nach F i g. 2 auch verwendet werden kann, um die Öffnungsränder von Flaschen oder jedes andere ringförmige symmetrische Objekt abzutasten, bei denen Fehler an bestimmten ringförmigen Oberflächen problematisch sind.

Die parabolische Ausbildung der Spiegeloberflächen, wie sie oben bei dem Bohrungsabtaster nach Fig. 1 gezeigt ist, hat den Vorteil der Schaffung eines intensiven fokussierten Lichtringes an der Bohrungsoberfläche ebenso wie des Erfassens des reflektierten Lichtes unter einer Vielzahl von Winkeln. Es lassen sich jedoch auch andere davon verschiedene Spiegelausbildungen verwenden, wie die nach F i g. 4. Das Spiegelelement 70 hat eine zweigeteilte Spiegeloberfläche 71. Der erste Teil, 72, der dichter an dem in die Bohrung 14' eintretenden auftreffenden Licht 74 liegt wird unter einem kleinen Winkel auf die Bohrungsoberfläche 11' reflektiert, und dies trifft auf die Bohrungsoberfläche als streifend auftreffende Strahlung auf. Der zweite Teil, 73, kann flach oder, wie dargestellt, gekrümmt sein und ist so angeordnet daß er das Licht von der Bohrungsoberfläche zurück längs des Rohres zu dem nicht gezeigten Detektorfeld reflektiert. Der Rest der Vorrichtung und ihre Wirkungsweise können die gleiche wie in F i g. 1 sein, Der markante Unterschied besteht darin, daß die Bohrungsabbiidung, die zu dem Detektorfeld reflektiert wird, von zwei Arten von Strahlung beeinflußt wird: einer entlangstreifenden Strahlung vom Bereich 72 der Spiegeloberfläche 71 und einer direkten Strahlung, die wie beim Ausführungsbei-

spiel nach F i g. 1 von dem zweiten Spiegelabschnitt 73 fokussiert werden kann. Diese Anordnung führt zu besonderen Schattenwirkungen und Überstrahlungen, die von den zwei Arten der auftreffenden Strahlung herrühren, und kann die Ermittlung besonderer Fehlerarten erleichtern wie die Ermittlung von Eindrückungen oder erhabenen Bereichen, oder sie mag die Verminderung der Anzahl von Fehlausschüssen in einem besonderen System erleichtern.

Falls erwünscht, kann die Spiegeloberfläche derart ausgebildet sein, daß sie Licht auf einen Punkt der Bohrungswaiidungsfläche fokussiert, der axial vor dem vordersten Ende des Spiegels liegt. Dies ist in vielen Fällen vorteilhaft wie bei der Prüfung der Bodenbereiche von Sackbohrungen.

Es leuchtet auch ein, daß die Spiegeloberfläche, die in die Bohrung hineinbewegt wird, durch eine Linse wie eine Weitwinkeliinse ersetzt werden kann. Andere optische Vorrichtungen wie Prismen lassen sich gleichfalls verwenden. Die Erfindung ist besonders geeignet zur Prüfung von kleinen Bohrungen wie Nuklear-Brennstoff-Rohren, in welchem Fall eine Kette von Linsen dazu verwendet werden kann, die Bohrungsabbildung auf das Diodenfeld zu übertragen. Alternativ kann ein optisches Kohärentfaserbündel (Glasfaserbündel) verwendet werden. Auf diese Weise ist es möglich. Bohrungen zu untersuchen, deren Durchmesser kaum größer ist als der von fertig verfügbaren Faseroptikkomponenten. Darüber hinaus ist es, da Faseroptiksysteme flexibel sein können, möglich, Bohrungen zu inspizieren, die nicht gerade sind. Diese Ausführungsform ist deshalb auf medizinisch-diagnostische Geräte anwendbar wie auf Zystoskope, Esophagoskope und dergleichen.

F i g. 5 zeigt eine andere Ausführungsiorm der Erfindung, die auch zur Fehlerermittlung in Bohrungen verwendet wird. Diese Ausführungsform ist in erster Linie nützlich für Bohrungen, die verhältnismäßig weit im Durchmesser gegenüber ihrer Tiefe sind wie beispielsweise tviaschinenzyiinderbohrungen (typisch 102 muh Durchmesser bei 152 mm Tiefe). Ein lineares Abtast-Fotodiodenfeld 80 und eine Linse 81, die drehbar an einem Träger 83 außerhalb der Bohrung 82 befestigt sind, tasten unter mechanischem Drehen durch einen Motor 84 über 360° die Bohrung ab, wobei sie die Bohrung, wie gezeigt, unter einem Winkel erfassen. Die Abbildungsebene des Diodenfeldes ist so geneigt, daß ein konstanter Brennpunkt (wenngleich auch mit etwas variierender Größe) entlang der gesamten Länge der Bohrung geschaffen wird. Wenn die von einem Ende zum anderen Ende der Bohrung gelieferte Größendifferenz problematisch wird, kann dies in der Fehlerverarbeitungsschaltung durch einen einfachen Skalenfaktor korrigiert werden, der am Ausgang des Diodenfeldes zur Anwendung gelangt. Eine Lichtquelle 85 ist generell darunter angeordnet, um die Bohrung mit Licht zu fluten.

Die Ausführungsform nach F i g. 5 ist extrem wirksam bei Hoch-Auflösungs-Abbildung der Bohrung ohne das Erfordernis, eine Sonde in die Bohrung einzuführen. Es ist klar, daß diese Einheit, wenn sie beispielsweise zur Abtastung einer Zylinderbohrung eingesetzt wird, ein lineares Feld mit 2048 Elementen über die Gesamtlänge von 152 mm der Bohrungsoberfläche abbilden kann, wobei sie diese in 0,07 mm-Stufen angenähert unterteilt. Wenn dies unter einer Geschwindigkeit von beispielsweise 1000 Abtastungen pro Sekunde drehend abgetastet wird, ist nur 1 Sekunde erforderlich, um diese Bohrung in quadratische Stufen von 0,07 qmm abzubilden, was eine sehr hohe Auflösung ist. Man beachte zusätzlich, daß bei dieser Ausführungsform generell vorzuziehen ist, von unten auszuleuchten, da die Bohrung unter einem Winkel betrachtet werden muß. Diese Technik ist daher die beste zur Anwendung bei Bohrungen, die durchgehend verlaufen. Zylinderbohrungen von Kraftfahrzeugmotoren öder Ritzelbohrungen sind gute Beispiele dieser Änwendungsart in einigen Fällen kann das zu untersuchende Teil selbst leicht gedreht werden und der Fühler fest sein. Eine ähnliche Version für den Betrieb außerhalb der Bohrung, ohne in die Bohrung körperlich einzudringen, läßt sich durch Verwendung eines kreis- oder ringförmigen Diodenfeldes, wie es oben beschrieben ist und ein körperliches Bewegen des Fühlers oder Verwendung eines ZOOM-Linsensystems durchführen.

F i g. 6 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform der Erfindung gemäß F i g. 1, angewendet auf die Untersuchung des Außendurchmessers eines Teils. Dieses System ist in der Lage, über 360° mit hoher Geschwindigkeit ein Teil oder einen fortlaufenden Draht in Hinblick auf Fehler abzutasten oder für dessen Abbildung zu sorgen. Bei dieser Ausführungsform ist eine Spiegelfläche 90 vorzugsweise parabolisch und ähnlich derjenigen nach F i g. 1 mit der Ausnahme, daß der Spiegel im wesentlichen umgekehrt ist, so daß er ähnlich den normalen Parabolspiegeln beispielsweise eines Blitzlichtgerätes wird. In der Tat wirkt ein Blitzlichtspiegel bei der Untersuchung gewisser Teile ganz gut.

so Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Vorrichtung dazu benutzt, pharmazeutische Kapseln 91 zu prüfen, die in Richtung des Pfeils B durch das Feld des parabolischen Spiegels 90 durch ein pneumatisches Rohr 92 bewegt werden. Eine Fühlerlinse 93, ein ringförmiges Diodenfeld 94 und eine daran angeschlossene automatische Verarbeitungseinheit 95 sind grundsätzlich identisch mit derjenigen nach Fi g. 1 mit der Ausnahme, daß ein Spiegel 96 mit einem Loch 97 verwendet wird, durch welchen das zu untersuchende Teil hindurchtreten kann. Eine Lichtquelle wie ein Ring 98 sorgen für Licht Weil die Teile eine begrenzte Länge besitzen, gelangen sie nicht in den Weg der optischen Strahlung, und diese Situation ist im wesentlichen analog zu der oben erläuterten. Spanend bearbeitete oder verformte Metallteile wie Nadellager, Geschoßkörper usw. sowie landwirtschaftliche Produkte wie Kaffeebohnen usw. können ebenfalls auf diese Weise untersucht werden.

Eine andere größere Anwendung der Erfindung liegt in der Untersuchung von Strangprodukten wie Draht, Kabelmaterial, Rohren usw. In diesem Fall läßt sich eine Ausführungsform gemäß der Darstellung in F i g. verwenden. In diesem besonderen Fall läuft ein Draht 200 in Richtung des Pfeils C durch einen Spiegel 201 mit einem Loch 202 ähnlich der Anordnung in Fig.6. Licht trifft von einer ringförmigen Lichtquelle 204 auf eine parabolische Spiegelfläche 203 auf. Das reflektierte Licht tritt durch eine Linse 205 zu einem ringförmigen

β Detektorfeld 206, und das Ausgangssignal davon wird, wie oben erläutert, in einer automatischen Verarbeitungs-

'ft 65 einheit 207 verarbeitet Es leuchtet ein, daß das Produkt selbst einen Bereich der betrachteten Oberfläche des

W Teils abdeckt Der abgedeckte Bereich kann in einigen Fäiien im wesentlichen vernachlässigbar sein, wenn der

j{| Draht verhältnismäßig klein im Durchmesser ist und der Spiegel 201 in der Lage ist das Licht von Punkten rund

'Ig um die Bolhrung zu erfassen, so daß nicht das gesamte Licht von den Punkten von dem Draht besch-ntet wird.

Wcpn das Aujmaß der Abdeckung übermäßig groß ist, läßt sich das System leicht modifizieren. Beispielsweise
lassen sich ein ringförmiges Diodenfeld und eine ringförmige Linse koaxial zu dem Draht und einem parabolischen Spiegel 203 anordnen, in welchem Fall der Spiegel 201 entfällt. Alternativ lassen sich zwei separate
Systeme, ein jedes auf jeder Seite des Drahtes und ein jedes mit geneigtem Spiegel, Linse und Diodenfeld
verwenden, in welchem Fall dann ein jedes Feld nur einen Teil, in diesem Fall eine Hälfte der äußeren
Umfangsfläche des zu untersuchenden Teils untersucht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Fehlerbestimmung von Oberflächen, bei dem ein Meßlichtstrah! auf einen zu untersuchenden Meßflächenbereich der Oberfläche gerichtet und von dem von dieser rückgestreuten oder reflek-

tierten Anteil des Meßlichtstrahis ein Meßsignal abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig ein weiterer Lichtstrahl auf einen anderen, in der Nähe des Meßflächenbereichs liegenden Bereichs der Oberfläche gerichtet und von dem davon reflektierten oder rückgestreuten Lichtanteil ein Bezugssignal abgeleitet wird und durch Vergleich von Meß- und Bezugssignal ein Fehlersignal erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß mehrere weitere Bezugslichtstrahle τ auf ίο mehrere Vergleichsflächen der Oberfläche gerichtet werden, daß ein von allen diesen Bezugssignalen abhangiges Gesamtvergleichssignal abgeleitet wird, und daß dieses Gcsamtvergleichssignal mit dem Meßsignal verglichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem bzw. den Vergleichslichtstrahl(en) getroffene Bezugsflächenbereich größer als der von dem Meßlichtstrahl getroffene Meßflächenbereich ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Meßlichtstrahl und/oder dem bzw. den Bezugslichtstrahl(en) getroffene Flächenbereich länglich ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Meßlichtstrahl und dem bzw. den Bezugslichtstrahl(en) getroffene Flächenbersich eine ringförmige Zylinderinnerifläche. insbesondere eine Bohrungioberfläche, ist.

6. Verfahren nach Anspruch. 5, dadurch gekennzeichnet, daß Meß- und Bezugslichtstrahl(en) im wesentlichen axial in die Bohrung auf eine Spiegelfläche gerichtet wird, die die Form eines konischen Rotationskörpers hat und das Licht im wesentlichen radial nach außen wirft

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche innerhalb der Bohrung axial bewegt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche parabolisch ist.

9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Meßlichtstrahl und dem bzw. den Bezugslichtstrahl(en) getroffene Flächenbereich eine ringförmige Zylinderaußenfläche ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß MeB- und Bezugslichtstrahl(en) auf eine jo Spiegelfläche gerichtet wird, die die Form eines konischen Rotationskörpers mit einer öffnung am Scheitel

zur Aufnahme des Gegenstandes mit der Zylinderaußenflächc hat.

1!. Verfahren nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand mit der Zylinderaußenfläche axiai durch die Öffnung hindurchbewegt wird.

12. Einrichtung zur Fthlerbestimmung von Oberflächen, mit einer Meßlichtquelle, die einen Meßlichtstrahl auf einen zu untersuchenden Meßflächenbereich wirft, und mit einer Empfangseinrichtung zum Empfangen

des von dem zu untersuchenden Meßflächenbereich rückgestreuien oder reflektierten Anteils des Meßlichtstrahis und zur Ableitung eines entsprechenden Mcßsignals. gekennzeichnet durch einen weiteren Lichtstrahl, der auf einen in der Nähe des Meßflächenbereiches liegenden Bereich der Oberfläche gerichtet ist, durch Mittel zum Empfang des davon reflektierten oder rückgestreuten Lichtanteils und 7-jr Ableitung eines Bezugssignals davon, und durch eine Vergleichseinrichtung zur Erzeugung eines Fehlersignals durch Vergleich von Meß- und Bezugssignal.

13. Einrichtung nach Anspruch 12. dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Lichtstrahlen auf wenigstens zwei in der Nähe des Meßflächcnbercichs liegende Bereiche der Oberfläche gerichtet sind, daß davon abgeleitete Bezugssignale in eine Durchschnittswerteinrichtung eingespeist sind, die einen Durchschnittsbe-

zugswert bildet, und daß die Durchschnittswcrteinrichtung mit der Vergleichseinrichtung verbunden ist, um den Durchschnittsbezugswert in die Verglcichseinrichtung einzuspeisen.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bilden des Durchschnittsbezugswertes aus optischen Einrichtungen bestehen, die reflektierte Strahlung von den weiteren Bereichen auffangen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art und eine Einrichtung gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 12 genannten Art.

Aus der Patentliteratur sind viele Verfahren und Einrichtungen zur Ermittlung von Fehlern und Eigentümlichkeiten der Oberflächen von Gegenstanden bekannt. Beispielsweise wird auf die US-PS 37 61 186, 37 49 496, 39 83 388, 40 55 382 und 40 72 427 verwiesen. Diese bekannten Verfahren arbeiten optisch und werten das Erscheinungsbild der zu prüfenden Oberfläche aus. Fehler und Eigentümlichkeiten werden dann als Abweichungen von dem durchschnittlichen Erscheinungsbild der Oberfläche ermittelt.

Eine Schwierigkeit bei dieser Ermittlung besteht darin, daß das Erscheinungsbild, also z. B. die miniere Helligkeit, sich von Gegenstand zu Gegenstand und außerdem von Teilflächc zu Tcilflächc der geprüften Gesamtfläche ändert. Bei dem bekannten Verfuhren wird in die Auswcricschaltiing eine dem mittleren Helligkeitswert entsprechende feste nczugsspaniuing eingeführt, von der aus die Ermittlung der Fehler erlolgt, die sich als Abweichungen von der der jeweils feslneslelllcn Helligkeit entsprechenden Πο/ugsspannunn ergeben. Die Abweichungen der initiieren Helligkeit von Gegenstand zu Gegenstand b/.w. Teilfliiehe /u Teilflüchc sind