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CN1997871B - 孔内侧表面的检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种孔、凹进部分等等内侧表面的检测装置和方法。所述装置(1)包括一产生光束(4)的光源(3)，其中所述光束(4)通过投射镜片(7)聚焦及所述聚焦光束被引导到所述表面(9)上。设有一传感器(11)以探测所述反射光束(10)。本发明目的在于提供一种装置，其可使测量尽量快速及简易以及其可轻易地微型化。为了达到这目的，通过所述光源(3)产生多色光束(4)，由于所述投射镜片(7)的色差，所述光束会被聚焦在离所述投射镜片(7)不同距离的多点上。从所述探测光束(10)光谱可以确定离所述表面(9)的距离。

Description

孔内侧表面的检测装置和方法 
技术领域
本发明涉及一种孔、凹进部分等等内侧表面的检测装置，其中所述装置包括一种产生光束的光源，而所述光束可通过成像镜片来聚焦，所述聚焦光束可折射到所述的表面上，以及其中装有一种传感装置用来检测该反射光束。
背景技术
在许多的技术领域中，一项重要的工作是孔、凹进部分等等内侧表面的检测，特别是钻孔或大小在微米内的微小裂痕。当钻孔用来接纳可活动的部件，诸如销、气缸或如压力阀中的小活塞时，经常需要高质量及高精度公差的钻孔。压力阀不只可用在气动系统中，还可用在其他领域中，诸如汽车燃油喷射技术。与此同时，正在寻求的应用有2毫米直径气动气缸的电路的测试针。为了赶上不断缩小的电路设计，这些非常小的气缸是必需的。对于收缩连接，还需要高精度公差钻孔，其中所述的钻孔不可以因为毛刺或起泡而受损。另外，对于大小超过毫米的孔，精确地知道其表面质量也是重要的。因此，例如机动车辆中的制动气缸必须具有一特高质量的表面，因为气缸内微小的瑕疵或毛刺即使在短时间之后也可导致部件损壤。
为了检测表面，目前实际上使用的大体上有两种方法。在一系统中，一种玻 璃楔形成镜片，用其近360°的周围表面可成像在一光波导束上。所述光波导束通常包括数千根单独的纤维，它们一起把图像传送到摄像机。通过适合的成像处理，所述表面上的结构便可藉此被识别。然而它们的实际大小，特别是它们的三维扩展部分不可能被确定。
在另一种惯用技术中，一种单色光束反射到待检测的表面上，其中该光束经常保持在所述表面上聚焦。如果所述镜片和受照像点之间的距离因该表面不平整度而变化，因此，所述光束不再聚焦，然后，一种自动聚焦系统便依照使该光束重新在所述表面聚焦的那样方式来调校所述镜片。通过这样的镜片修正，可探测到距离变化。这样，可以真正地对所述表面作三维测量，但由于必需追踪聚焦，故而只能达到较慢的测量速度。这样，在连续生产过程中的检测则不能实现。
因此，本发明的目的在于以这样一种方式研制及推广一种前言中所述的这类装置，即该装置可做到一种快速、简易及可再现的方式检测孔、凹进部分等等内侧表面且尽可能大小在毫米范围内并具有最简单的结构。另外，叙述一种相应的方法。
发明内容
根据本发明，上述目的由本发明的第一方面实现。根据本发明的第一方面，所述装置以这样一种方式研制，即用光源可产生多色光束，由于成像镜片的色差，该光束在距所述成像镜片不同的距离聚焦于多点上以及自所探测光束的光谱可以确定与该表面的距离。
对于所述的方法，上述目的可通过本发明的第二方面实现。根据本发明的第二方面，所述的过程的特征在于，用光源产生多色光束，由于成像镜片的色差，该光束在距所述成像镜片不同的距离聚焦于多点上以及自所探测光束的光谱可以确定与该表面的距离。
根据本发明的实施方式，首先应该认识到，可以省略所述镜片再聚焦。在实际所知的方法以外，则刻意地使用多色光并且在所述镜片中采用由此出现且不希望有的与多色光相关联的色差。由于所述的色差，不同波长的光束则聚焦在不同的焦点上。根据色差的程度，这些焦点位于一大体上宽地扩展的区域内及在所述成像镜片的光轴上距该成像镜片的不同距离。由于基本上聚焦在所述表面照亮点的这些光谱部分数最好由照射表面反射，因此可根据本发明自所述反射光束的光谱分析得出有关该镜片与该照亮点之间的距离的结论。如果由反射所述聚焦光束来扫瞄所述表面上的整个区域，则可以以这种方式研制一种有关该表面状况的剖面图。
根据本发明的装置及根据本发明的方法，可以以较佳的方式使用在必须测量的表面的周围空间处于十分有限的任何地方。因此，例如不仅可以测量钻孔，而且可以测量凹陷处、裂缝或其他凹进部分。
根据本发明，为此产生多色光束，其最好是通过一或多个光波导向件传送到成像镜片。这最好是白光，因为由此得出一种对评估所述光谱部分来说特别简单的状态。所述的成像镜片以有利的方式包括一种镜或一镜系统。
关于尽量简单的微型化及尽量经济的成像镜片，所述的镜片最好是包括一种GRIN(梯度折射率)镜片。GRIN镜片通常由圆筒形部件组成，其由专门制作方法提供而其折射率沿轴向连续变化。这样做时，以穿透该镜片的光束可以得到与用常规镜片相同的效果。然而，GRIN镜片能以较低的生产成本来进一步显著地微型化，尤其对周围空间受限制特别有利。
所述GRIN镜片可以以特别有利的方式装在一种定位装置中，即所谓间隔件， 用其可配合所述镜片的色差。通过这种间隔件，可以特别简单地使此类镜片配合经改变的系统的配置。
在测量状态下，其中必须克服所述镜片与所测物体之间较大距离，则可以使所述GRIN镜片随之与附加镜片连接。例如，可使用非球面望远镜内的成像镜片。例如，可以以一有利的方式使光波导管耦合在所述非球面望远镜内的成像镜片之间以把光反射到所述光束路径，藉此可能仍有较大的覆盖范围。
对于所述聚焦光束特别简单的反射性，可提供一种反射装置，其最好以可活动的方式构成。在这方面，可使用棱镜、镜子或平面平行板。有利的是，使所述反射装置适合于通过电、压电、磁或比较定位件实现可再现的测量方法，它们最好由一种电子线路驱动，例如一种微控制器。通过适当地控制所述反射装置，可以照明并测量在孔内侧中的整个表面，或至少该表面的一部份，尤其是待检测的部份。在这样做时，可以以直线、环形、螺线形、曲线形或任何其他适当的方式来引导所述光束。
关于所述装置的一种特别简单及节省空间的发展，可使所述反射光束只以相反方向取与由所述光源产生光束相同的路径。在一合适的点，所述反射光束可通过一种光学分隔过滤器来分隔及传导到一种传感器。
所述传感器最好包括一种电子元件，其能够根据入射光束的光谱把多色光转换成适当的电信号。这里最好用一种CCD晶片或其他光电探测器阵列。
根据本发明，所述装置能以较简单的方式起到一种多通道系统作用，藉此可同时进行几项测量。在这样做时，自所述成像镜片存在的光可以分成在多个测量 点及相对应测量点的各自反射最好通过多个光波导管而传送。在一种特别有利的方式中，当这样做时，所述测量点根据测量情况而配置。这里可想得到的配置为横列及环式。
关于通过所述传感器获得的信号的特别通用的估值能力，可把所述的信号传送到一种电子装置，例如其包括一种微控制器型数码计算机或一种数码信号处理器。以其可以进行信号处理，而所获得的数据以适当的方式为后面的使用作准备，例如一种显像。本文或许也可对测量结果作评估及所述表面根据某些准则作分类。
以一种有利的方式发展及扩展本发明的构思有各种可能性。为此，一方面，参照所附的权利要求，另一方面，结合附图，参照本发明的较佳实施例的下述说明。在结合附图对本发明较佳实施例作说明方面，一般还说明本发明构思的较佳发展及扩展。
附图说明
图1所示为根据本发明一装置的设计配置示意图；
图2所示为一种GRIN镜片在一镜片系统中应用的示意图；以及
图3所示为一具有平面平行板的折射装置的示意图。
具体实施方式
图1所示为根据本发明的孔2内侧表面9检测装置1的设计配置示意图。所述装置1包括一光源3，借助于所述光源可产生多色光束4。这光束4不受影响地穿过光学分隔过滤器5及耦合到光波导管6以反射该光束4。通过一镜片系统7用其色差使所述光束4聚焦到一连串的聚焦点上并用反射件8反射到所述孔2的表面9上。所述镜片系统7及所述反射件8以这样一种方式相互协调，即至少一焦点落于所述 表面9上。在某些情况下，必须提供一种相应的配合器件(图中未示)以致于这要求可以满足。包括所述镜片系统7及所述反射件8的所述光学系统以诸如能沿着所述孔2纵轴线转动及移动的方式来装置。这些运动最好通过一种电定位装置来执行(图中未示)，以致于所述孔2的表面9可以尽量完整地及再现地被扫瞄。
所述光束反射在所述表面9上并通过所述反射楔8及所述镜片系统7传导到所述光波导管6。所述光学分隔过滤器使由所述光源3所产生的光束4与传导到所述传感器装置11的所述反射光束10分隔。这传感器装置耦合到评估电子系统(图中亦未示)，其自所述反射光束10的光谱来计算根据本发明所述装置1及所述表面9之间的距离以及取得可为随后的评估和/或显像采用的数据。
在图2中，示意地表示出一种GRIN镜片以及一般镜片13。所述附图所示为一种大为约1.0波长GRIN镜片12，即，所述镜片的大小以一入射光束沿一在所述GRIN镜片12的内侧中的正弦振动周期运行的方式确定。为了调校所述色差，在前面使所述GRIN镜片12与一定定位装置14，其称为间隔件。
使从所述GRIN镜片12射出的所述光束由光学器件13传导，所述光学器件13最好有两块非球面透镜的1∶1成像的光学器件构成，这样的成像光学器件在非球面望远镜中已公知。可以在所述2块镜片15及16之间配置一种光波导管(图中未示)以跨接更大距离。由这光学器件中出来的光束传导到所述表面9，在某种情况下会使用到反射装置8。
图3所示为以平面平行板17发展成的反射装置8。所述入射光束4分别在两边界表面18及19中一表面上折射，藉此得出偏差平行光束20。所述偏差V取决于所述板17的厚度d、所述入射光束4与所述板17垂直线之间的角度  以及折射率n。如果所述平面平行板17沿轴线21转动，然后所述偏差平行光束20则沿 该待检测表面上的环形路径运行。再者，如果所述平面平行板17的斜角有所改变，那些表面便能以环状圈形来扫瞄。
最后，应该注意到，上述实施例仅说明要求保护的构思，但是并不只局限于所述实施例。

Claims (19)

1.一种孔或凹进部分内侧表面的检测装置，其中所述装置(1)包括一产生光束(4)的光源(3)，其中所述光束(4)通过成像光学器件(7)聚焦，所述通过成像光学器件(7)聚焦的光束通过使用反射装置(8)反射到所述表面(9)上，以及设有一传感器(11)以探测自所述表面(9)反射的光束(10)，其特征在于，通过所述光源(3)产生多色光束(4)，由于所述成像光学器件(7)的色差，所述多色光束会被聚焦在离所述成像光学器件(7)不同距离的多点上以及从由所述传感器(11)探测的光束(10)的光谱确定离所述表面的距离，所述成像光学器件(7)包括一梯度折射率镜片(12)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，由光源(3)所产生的多色光束(4)为一种多色光束。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述多色光束为白光。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，通过一或多个光波导管(6)使自所述光源(3)发出的所述光束(4)传导到成像光学器件(7)。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，按色差以定位装置(14)配合所述的梯度折射率镜片(12)。
6.根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于，在附加光学器件(13)之后连接所述的梯度折射率镜片(12)，借助于此在测量时，在所述梯度折射率镜片(12)与待测量的表面(9)之间达到较大距离和/或有可能把从所述的梯度折射率镜片(12)发出的光束耦合到光波导管内。
7.根据权利要求1、2和5其中一项所述的装置，其特征在于，所述通过成像光学器件(7)聚焦的光束通过反射装置(8)反射到所述表面(9)上某一点。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的反射装置(8)以移动的方式来构成。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的反射装置(8)通过电、压电或磁的定位装置来移动。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的反射装置(8)包括一棱镜、一平面平行板或一镜子。
11.根据权利要求1、2、5、8-10其中一项所述的装置，其特征在于，由光源(3)所产生的光束(4)及自所述表面(9)反射的光束(10)均由光学分隔过滤器(4)分隔。
12.根据权利要求1、2、5、8-10其中一项所述的装置，其特征在于，所述传感器(11)包括一光电探测器阵列。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述光电探测器阵列是一直线阵列。
14.根据权利要求1、2、5、8-10其中一项所述的装置，其特征在于，所述装置构成一种多通道系统，藉此同时进行几项测量。
15.根据权利要求1、2、5、8-10其中一项所述的装置，其特征在于，自所述成像光学器件(7)发出的光被分配到多个测量点上及那些测量点的反射通过多个光波导管(6)传导到所述传感器(11)。
16.根据权利要求1、2、5、8-10其中一项所述的装置，其特征在于，由所述传感器(11)所产生的信号被传导到一种电子装置。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述电子装置是一种微控制器型数码计算机或一种用来处理信号的数码信号处理器。
18.一种孔或凹进部分的内侧表面的检测方法，用于控制根据权利要求1至17其中一项所述的装置，其中所述装置(1)包括用来产生光束(4)的光源(3)，其中所述光束(4)通过成像光学器件(7)来聚焦，所述通过成像光学器件(7)来聚焦的光束通过反射装置(8)反射到所述表面(9)上以及设置一传感器(11)来探测所述反射光束(10)，其特征在于，通过所述光源(3)产生多色光束(4)，由于所述成像光学器件(7)的色差，所述多色光束会被聚焦在离所述成像光学器件(7)不同距离的多点上以及从所述由传感器(11)探测的光束(10)的光谱确定离所述表面的距离，所述成像光学器件(7)包括一梯度折射率镜片(12)。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述光束(4)通过反射装置(8)以直线、环形、螺旋形或曲折形的方式来引导到所述表面(9)上，藉此扫描所述表面(9)。
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