DE4123625C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur schnellen Erzeugung von hochauflösendem und meßgenauem Bildsignal von Oberflächen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Art.

Bekannte Vorrichtungen benutzen hauptsächlich die Projektion der beleuchteten Abtastfläche auf einen ortsauflösenden Lichtumwandler. Das auf diese Weise im Wandler gewonnene Bildäquivalent wird in elementare Bereiche ohne Bildstruktur verteilt und sukzessive zu einem Ausgang kommutiert. Üblicherweise liefert dieser Ausgang ein elektrisches Signal. Seine Amplitude entspricht meistens der Lichtmenge in einem elementaren Bildbereich, gesammelt in der Zeit zwischen der momentanen und vorherigen Kommutierung.

Eine meßtechnische Anwendung stellt sehr hohe Anforderungen, die von den bekannten Vorrichtungen nur teilweise oder gar nicht erfüllt werden können. Die Beleuchtungsstrahlen müssen bei gleichmäßiger Verteilung unter solchem Winkel auf die Abtastfläche fallen, daß bei gleichbleibenden Bedingungen von jedem Punkt immer die gleiche Lichtmenge zur Objektivöffnung reflektiert wird. Eine Zunahme der Glätte und des Glanzes der Oberfläche erschwert diese Bedingung. Es werden Leuchtkörper oder Kondensoroptiken benötigt, die größer als das Sichtfeld des Objektivs sind. Bei einer Bohrung sind solche Bedingungen nicht erfüllbar.

Geometrisch bedingt sieht das Objektiv die einzelnen Regionen der Objektfläche unter verschiedenen Winkeln. Die gemessenen Werte sind dadurch ortsabhängig. Die Verzerrungen und besonders die Randeffekte lassen sich schwierig und nur bedingt korrigeren. Der ortsempfindliche Lichtumwandler weist regionale Unregelmäßigkeiten auf, die nicht immer konstant und dadurch ebenso nur bedingt korrigierbar sind. Die Kommutierung des so gewonnenen Bildäquivalents liefert fremde Spannungen im Videosignal, die zusammen mit physikalisch bedingten Ungleichmäßigkeiten den dynamischen Bereich von unten begrenzen. Die Sättigungslichtmenge begrenzt den dynamischen Bereich von oben. Noch mehr, höhere Überschreitung dieser Grenze verursacht Streuung der Ladungen und dadurch eine Vergrößerung des übersättigten Bildteiles. Diese Sättigung und die Amplitude des Videosignals sind von der Kommutationsfähigkeit, d. h. Abtastrate, abhängig.

Bei Festkörperwandlern, die z. Zt. die größten Vorteile aufweisen, ist die örtliche Auflösung durch die Pixelverteilung fixiert. Die Bildabtastfrequenz ist durch das Transportregister auf einige Megahertz von oben und durch die Streuung der Ladungen auf einige hundert Hertz von unten begrenzt. Die Matrixgröße oder die Pixelzahl ist im Tausenderbereich technologisch begrenzt. Das Bildformat ist dadurch fest und kann nicht frei konfiguriert werden. Eine Veränderung der Vergrößerung ist nur durch flexible Optik möglich.

Für ein vollständiges Bild vom Bohrungsinnern benötigen die bekannten Vorrichtungen eine relative Drehung zwischen Kamera und Werkstück um mehr als 360° oder ein problematisches Zusammenfügen von aus verschiedenen Richtungen aufgenommenen Teilbildern. Vermessung von Öffnungen in der Bohrungswand wie z. B. im Verbrennungsmotorzylinder, im Ventilkörper u. v. a. mit der benötigten Genauigkeit und unter Einhaltung der Produktionstaktgeschwindigkeit ist mit den bekannten Vorrichtungen sehr kompliziert und hat selten Anwendung gefunden.

Die Auflösung bei Bilderfassung von großflächigen und schnellbewegten Werkstücken ist von der maximalen Pixeltransportfrequenz bis auf einige Megahertz begrenzt. Eine "On line"-Kontrolle von feinen Walzblechen, Folien, Laminaten für gedruckte Schaltungen etc. ist nur dann sinnvoll, wenn die Auflösung unterhalb von einem zehntel Millimeter liegt. Bei den üblichen Vorschubgeschwindigkeiten und Breiten des Materials sind die bekannten Vorrichtungen um ein Vielfaches überfordert.

Aus der US-PS 44 75 035 (Method and Apparatus for Scanning) ist eine Vorrichtung bekannt, bei der die obengenannten Probleme durch Abtasten der Oberfläche mit einem Lichtstrahl und Detektierung des zurückgestrahlten Lichtes z. T. gelöst sind. Die Lichtstrahlquelle und der Lichtdetektor sind unbeweglich. Der Abtastlichtstrahl wird mit Hilfe von Spiegeln entlang der Rotationsachse einer rotierenden Spindel umgelenkt. Am freien Ende dieser Spindel ist zentrisch und schräg ein Ablenkspiegel befestigt. Er lenkt den axialen Lichtstrahl radial und senkrecht zur Bohrungswand durch eine lichtdurchlässige Öffnung in der Spindelwand ab. Die Größe des Abtastflecks bestimmt die elementare Auflösung der Vorrichtung. Das vom Abtastfleck reflektierte Licht wird von einer mitgedrehten Linse gebündelt und über denselben Ablenkspiegel zurück in den Spindelinnenraum befördert. Hinter dem Spindelende, über einem unbewegten Spiegel, gerät das Licht zum Detektor. Linse und unbewegter Spiegel sind mit je einer zentrischen Öffnung versehen. Durch diese Öffnung verläuft ungestört der fallende Abtastlichtstrahl. Zur Herstellung der Abtastmatrix wird der Hohlkörper relativ zur Spindel, entlang seiner Drehachse, bewegt. In einer Variante zum Abtasten von Flächen, wird der radiale Strahlengang von einem anderen exzentrisch mitgedrehten Spiegel wieder in axiale Richtung abgelenkt. Zur Herstellung der Abtastmatrix wird der abgetastete Körper in der Ebene der Abtastfläche, die senkrecht zur Spindelachse liegt, bewegt. Diese Vorrichtung bietet die Vorteile des senkrecht zur Abtastfläche fallenden Strahls, des freikonfigurierbaren Formats, des transportfrequenzfreien Signals mit großem dynamischen Bereich und der von der Abtastgeschwindigkeit unabhängige Signalamplitude. Problematisch ist aber die Neueinstellung der Vorrichtung auf einem anderen Bohrungsdurchmesser. Es wird eine Sammlung von Linsen verschiedener Brennweiten benötigt. Stufen oder Einstiche können nicht gleichzeitig und kegelförmige Bohrungen können überhaupt nicht abgetastet werden. Beim Abtasten von Flächen sind die kreisförmigen Zeilen von Nachteil. Sie überlappen sich an beiden Bildseiten. Es ist eine komplizierte Berechnung zur Rekonstruktion von geraden Konturen notwendig. Die exzentrisch bewegten Teile bringen Unwuchtprobleme. Die mechanische Lagerung bringt Vibrationen, Ungenauigkeiten und begrenzt letztendlich die Abtastgeschwindigkeit. Die Spindel muß wenigstens so lang sein, wie die Tiefe der abgetasteten Bohrung. Der dadurch entstandene lange Lichtweg zwischen Quelle und Abtastpunkt und der lange Rückweg zum Lichtdetektor, vergrößern die Unschärfe, was zur Verschlechterung der Auflösung führt. Die Bohrungen in der Linse und in den Spiegeln bringen einerseits Herstellungs- andererseits Einstellprobleme. Falls der Lichtstrahl eine der Bohrungen nicht trifft, ist die Vorrichtung außer Betrieb und bedarf der Justierung.

Von diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur schnellen Erzeugung von hochauflösendem und meßgenauem Bildsignal von Oberflächen zu schaffen, bei der die Bildsignalbandbreite, auch als Pixelrate bezeichnet, von DC bis in den Gigahertzbereich reicht. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, in jedem Objektpunkt gleiche Auflösung zu erzielen. Das Bildformat muß ohne Bindung an eine Rasterstruktur, ohne Veränderung im Linsensystem, ohne Verzerrungen, werkstückgerecht bis zu endlosen Panoramabildern veränderbar sein. Die Vorrichtung soll aus tiefen, nur einseitig offenen Bohrungen eine geometrisch genaue und der Oberfläche adäquate Bildinformation liefern. Es soll für jeden momentanen Punkt je ein Signal für die Gesamtreflektion, für die Rauheit (Ungleichmäßigkeiten unterhalb der elementaren Formauflösung), sowie für die Größe und für die Richtung der Abweichung von der erwarteten runden oder ebenen Form der gemessenen Oberfläche zur Verfügung stehen.

Diese Aufgabenstellung löst die Erfindung durch den Vorschlag gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1, für den die Unteransprüche 2 bis 12 vorteilhafte Weiterentwicklungen vorsehen. Somit ist für die Erfindung wesentlich, daß die Lichtstrahlquelle im Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser der hohlen Spindel ist. Sie ist in der imaginären Rotationsachse der Spindel plaziert und dem Ablenkspiegel ausgerichtet. Hinter ihr sind eine Sammellinse im Durchmesser größer als die Lichtstrahlquelle, sowie ein Lichtdetektor koaxial angeordnet. Der Abtastlichtstrahl verläuft, nach dem Austritt aus der Lichtstrahlquelle, koaxial durch die Spindelbohrung zum Ablenkspiegel. Der Strahl wird von ihm zur Abtastfläche reflektiert und erreicht im Abtastpunkt seinen Fokus. Das vom Abtastpunkt reflektierte Licht wird über den Ablenkspiegel zurück in den Spindelinnenraum gelenkt. Es divergiert kegelförmig und verläuft kreisförmig um die im Wege liegende Lichtstrahlquelle. Es fällt auf die Sammellinse und wird von ihr auf den Lichtdetektor im Fokus gebündelt. Die Lichtstrahlquelle, die Sammellinse und der Lichtdetektor sind zueinander unbeweglich in einem Strahl-Detektorblock zusammengefaßt. Sie sind mit Hilfe von einer Fokuslinearführung, Fokusgewindespindel und Fokusschrittmotor entlang der imaginären Rotationsachse der hohlen Spindel, relativ zum Ablenkspiegel, zusammen verstellbar. Das zum Strahl-Detektorblock gewandte, nichtspiegeltragende Ende der hohlen Spindel, ist im Außendurchmesser vergrößert und in Form eines geraden hohlen Kreiszylinders gestaltet. Die Manteloberfläche und die beiden parallelen Ebenen bilden die radiale und die axialen Laufflächen des Rotors eines präzisen hochtourigen Gaslagers. Der kreiszylinderförmige Gaslagerrotor weist von innen eine kranzförmige Aussparung auf. Sie ist mit Mikrofilterstoff ausgefüllt und ist durch kleine Öffnungen zur Mantelfläche entlüftet. Beim Ausfall der Luftzufuhr dringt die von der Fliehkraft in der kranzförmigen Aussparung komprimierte Luft durch die Öffnungen in den Lagerspalt ein und gewährleistet somit einen Notlauf.

Auf der hohlen Spindel ist in unmittelbarer Nähe des Gaslagers ein ringförmiger Dauermagnet starr angebracht. Er weist mindestens eine diametrale Magnetisierung auf. Zusammen mit einem über ihm zentrisch positionierten Statorpaket mit Phasenwicklungen bildet er einen Schrittmotor, der als Drehantrieb der hohlen Spindel dient.

Das Statorpaket, das Gaslager mit Hohlspindel, die Fokuslinearführung mit Strahl-Detektorblock und der Fokusschrittmotor mit Fokusgewindespindel, sind in einem Abtastkopf zusammengefaßt. Sie liegen auf einer Abtastlinearführung und werden von einem Abtastschrittmotor mit Abtastspindel, parallel zur imaginären Rotationsachse der hohlen Spindel, bewegt. Zum Abtasten von Flächen ist der Abtastkopf mit einem zylindrischen Parabolspiegel versehen. Seine Fokusachse stimmt mit der imaginären Rotationsachse der Hohlspindel überein. Die Parabelachse ist senkrecht und die imaginäre Hohlspindelrotationsachse ist parallel zur Abtastebene ausgerichtet. Der von dem Ablenkspiegel radial abgelenkte Abtastlichtstrahl fällt nach Reflexion im zylindrischen Parabolspiegel immer senkrecht auf die Abtastfläche. Der Ablenkspiegel ist auf einer parallel zur Spiegelebene und senkrecht zur imaginären Spindelachse liegenden kleinen Spiegelachse in der Innenwand der hohlen Spindel gelagert. Er ist mit einer durch eine Öffnung, entgegen der Aussparung, in der Spindelwand durchgeführten und etwas überstehenden Pinne versehen. Sie endet in einem Steuerrohr, das an einem Ende mit einer Wandöffnung versehen ist. Somit ist nur eine axiale Bewehung des Steuerrohres erlaubt. Am anderen Ende ist das Steuerrohr mit einem Außengewinde ausgestattet, das über der hohlen Spindel aufgesteckt ist. Eine, an ihren beiden Enden mit Gewinden verschiedener Steigung gestaltete Muffe verbindet das Außengewinde des Steuerrohrs mit einem außen auf der hohlen Spindel geschnittenen Gewinde. Eine zur Spindel relative Verdrehung der Muffe, verursacht wegen der verschiedenen Steigungen beider Gewinde, eine axiale Bewegung des Steuerrohrs. Über die Pinne bewirkt dies eine Veränderung des Anstellwinkels vom Ablenkspiegel. Die Muffe ist von einem Ringdauermagnet umschlossen. Zusammen mit einem zentrisch über ihm befindlichen, auf dem Abtastkopf befestigten Stator mit Wicklungen, bildet er einen Spiegelstellsschrittmotor mit der gleichen Polzahl wie der Drehantriebsschrittmotor. Eine Änderung der Phase des Stromes in den Wicklungen, relativ zu der Phase des Stromes in den Phasenwicklungen des Drehantriebschrittmotors, hat eine Veränderung des Anstellwinkels vom Ablenkspiegel zur Folge. Die hohle Spindel ist trichterförmig gestaltet. Der Ablenkspiegel liegt am schmalen Spindelende. Das breitere Ende ist zum Strahl-Detektorblock gewandt und dient gleichzeitig als Rotor des Gaslagers. Die kegelstumpfförmige Bohrung der hohlen Spindel ist reflektierend gestaltet. Die Durchmesser der Öffnungen an beiden Enden sind in bezug auf die axiale Lage der Spindelbohrung zwischen Abtastpunkt und Sammellinse so gewählt, daß die Lichtstrahlen aus größeren Streuwinkeln, die nicht auf geradem Wege zur Sammellinsenöffnung gelangen können, von der Bohrungswand der hohlen Spindel reflektiert und zur Sammellinse umgelenkt. Die empfindliche Fläche des Lichtdetektors ist in vier quadrantenähnliche Ringausschnitte und in einen Mittelkreis aufgeteilt. Der Durchmesser des Mittelkreises ist so groß wie die Projektion des Abtastflecks. Das vom Abtastfleck bis zur Sammellinse auf geradem Wege gelangte reflektierte Licht wird im Mittelkreis des Lichtdetektors projiziert. Die von der Bohrungswand der hohlen Spindel reflektierten Strahlen werden auf den Ringausschnitten abgebildet. Alle Sensoren, insbesondere der in der Lichtstrahlquelle befindliche Intensitätssensor, die Quadranten und der Mittelpunkt des Lichtdetektors werden zu einer gemeinsamen Steuerintelligenz geführt. Diese regelt die Intensität der Lichtstrahlquelle und steuert beim Abtasten einer vorher programmierten Bohrung alle Bewegungselemente, insbesondere Drehanstriebschrittmotor, Spiegelstellschrittmotor, Fokusschrittmotor, Abtastschrittmotor und leistet auch das "Teach in"-Verfahren. Die Steuerintelligenz baut aus ihr bekannten Spindel-, Spiegel- und Fokuspositionen und aus Signalen des Lichtdetektors ein Bild von dem Inneren der Bohrung oder von der Abtastebene auf. Über die Lage des Maximums der Lichtverteilung innerhalb der Quadranten, bezogen auf den momentanen, bekannten Spindeldreh- und Spiegelstellwinkel, ermittelt sie entweder die Richtung und die Größe der Abweichung von der programmierten Kurve oder die Richtung und die Größe der Korrektur der "Teach in"-Grundkurve. Sie kontrolliert oder ermittelt durch Findung des Maximums der Signalintensität im Mitelpunkt des Detektors den optimalen Fokus und aus der bekannten Position des Strahl-Detektorblocks den Radius. Sie mißt aus der Summe der Signale aller Quadranten, relativ zu einem Fokusmaximum des Signals im Mittelpunkt, die Rauheit. Aus der Summe der Signale aller Quadranten und des Signals des Mittelpunktes, bestimmt sie die Gesamtreflektion im Abtastpunkt. Zur Erhöhung des dynamischen Bereiches regelt sie die Intensität der Lichtstrahlquelle bis zum Erreichen einer optimalen Amplitude der Signale aus dem Mittelpunkt oder aus den Quadranten. Zur Erhöhung der Amplitudenauflösung regelt sie die Intensität des Lichtstrahls mittels Lichtstrahlintensitätssignal. Sie mißt und führt auf Basis der genau gemessenen Intensität eine Feinkorrektur der Signale aus den Quadranten und aus dem Mittelpunkt durch.

Die Videosignalamplitude ist nur von der Intensität des Abtaststrahls abhängig. Es gibt keine diskrete Pixelstruktur und keine Begrenzungen in der Bandbreite.

Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird auf die sich auf Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnung Bezug genommen. Darin zeigt.

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Abtastvorrichtung für Bohrungen,

Fig. 2 eine abgewandte Ausführungsform der Erfindung zum Abtasten von großflächigen Folien und Laminate,

Fig. 3 eine Projektion auf die empfindliche Fläche des Lichtdetektors.

Nach Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung beim Abtasten von einer Bohrung dargestellt. Der Ablenkspiegel 3 ist zentrisch im Innenraum der hohlen Spindel 7, schräg zu ihrer imaginären Rotationsachse befestigt. Er hat über die Aussparung 2 einen radialen Ausblick. Ebenso in der imaginären Rotationsachse der Spindel 7 ist eine nichtdrehende Lichtstrahlquelle 21 plaziert. Sie hat einen kleineren Außendurchmesser als der Innendurchmesser der Spindel 7 und ist zum Ablenkspiegel 3 ausgerichtet. Eine interne Photodiode liefert das Lichtstrahlintensitätssignal 35. Hinter ihr liegen koaxial die Sammellinse 22, im Durchmesser größer als die Lichtstrahlquelle 21, und weiter der Lichtdetektor 24. Die empfindliche Fläche des Lichtdetektors 24 ist in vier quadrantenähnliche Ringausschnitte I, II, III, IV und ein Mittelkreis O aufgeteilt. Der Durchmesser des Mittelkreises O ist so groß, wie die Projektion 40 des Abtastflecks 1. Die elektronischen Signale aus dem Mittelpunkt O und aus den Quadranten I, II, III, IV werden zu einer gemeinsamen Steuerintelligenz 34 geführt.

Die Lichtstrahlquelle 21, die Sammellinse 22 und der Lichtdetektor 24 sind unbeweglich zueinander in einen Strahl-Detektorblock 27 zusammengefaßt. Er liegt auf einer Fokuslinearführung 26. Sie ist parallel zur imaginären Rotationsachse der hohlen Spindel 7 ausgerichtet. Die zum Ablenkspiegel 3 relative Position des Strahl-Detektorblocks 27 wird von der Steuerintelligenz mit Hilfe von einem Fokusschrittmotor 30 mit Fokusgewindespindel 28 gesteuert. Die hohle Spindel 7 ist, zum Erreichen von hohen Touren und präziser Drehung, an ihrem zum Strahl-Detektorblock 27 gewandte, nicht spiegeltragende Ende luftgelagert. Dieses Ende ist in Form eines geraden hohlen Kreiszylinders, der als radiale Lauffläche des Rotors 18 eines Gaslagers 19 dient, gestaltet. Die beiden parallelen Ebenen des Kreiszylinders dienen als axiale Laufflächen. Zur Vermeidung einer Zerstörung Zu diesem Zweck ist der hohle Kreiszylinder 18 von innen kranzförmig ausgespart. Diese Aussparung ist mit Mikrofilterstoff 17 ausgefüllt und durch kleine Öffnungen 16 zur Mantelfläche entlüftet. Beim Ausfall der externen Luftzufuhr dringt die von der Fliehkraft in der kranzförmigen Aussparung 17 komprimierten Luft durch die Öffnungen 16 in den Lagerspalt ein und somit einen Notlauf und gleichzeitig durch die Luftpumpenwirkung eine Bremsung bewirkt.

Zur präzisen Steuerung ihres Drehwinkels wird die hohle Spindel 7 von einem Schrittmotor 13, 14, 15 angetrieben. Der Rotor ist ein ringförmiger Dauermagnet 14 mit mindestens einer diametralen Magnetisierung. Er ist äußerlich auf der hohlen Spindel 7 in der Nähe des Gaslagers 19 starr angebracht. Das Statorpaket 13 ist zentrisch über den ringförmigen Dauermagnet 14 positioniert und über den Phasenwicklungen 15 von der Steuerintelligenz 34 angeregt. Das Statorpaket 13, das Gaslager 19 mit Hohlspindel 7, die Fokuslinearführung 26 mit dem Strahl-Detektorblock 27 und der Fokusschrittmotor 30 mit der Fokusgewindespindel 28 sind in einem Abtastkopf 29 zusammengefaßt. Er liegt auf einer Abtastlinearführung 25, die ebenso parallel zur imaginären Rotationsachse der Hohlspindel 7 ausgerichtet ist.

Bei einem Meß- oder Prüfeinsatz der Vorrichtung wird die Abtastlinearführung 25 mit Hilfe einer geeigneten Mechanik 31 parallel zur imaginären Symmetrieachse der Abtastbohrung 6 so positioniert, daß die imaginäre Rotationsachse der hohlen Spindel 7 mit der imaginären Symmetrieachse der Abtastbohrung 6 exakt übereinstimmt. Der Abtastkopf wird über eine Abtastgewindespindel 32 von einem Abtastschrittmotor 33 entlang der Abtastlinearführung 25 angetrieben. Die Steuerintelligenz 34 liefert zum Abtastschrittmotor 33 die notwendigen Impulse zur Herstellung der meistens spiralförmigen Abtastlinie und ein- oder ausfahren aus der Abtastbohrung 6.

Zum Abtasten von flachen Werkstücken, insbesondere von sich in Bewegung befindlichen Bandmaterialien, wird der Abtastkopf von einer geeigneten Mechanik 31 über die Abtastfläche gehalten. Dabei ist die imaginäre Rotationsachse der hohlen Spindel 7 fast parallel zur Abtastebene 36 orientiert. Der Abtastkopf 29 ist mit einem kurzen zylindrischen Parabolspiegel 37 versehen. Die Fokusachse stimmt mit der imaginären Rotationsachse der hohlen Spindel überein. Die Parabelachse ist fast seknrecht zur Abtastebene ausgerichtet. Die geringe Abweichung von der parallelen Lage der Spindel 7 und von der senkrechten Lage des Parabolspiegels 32 vermeidet die Bildung eines Schattens von der Spindelspitze.

Die Touren der hohlen Spindel werden von der Steuerintelligenz 34 an die Vorschubgeschwindigkeit des Bandmaterials 36 so angepaßt, daß die Abtaststriche des Lichtstrahls 20 eine für die Auflösung ausreichende Dichte aufweisen.

Die Abtastung von kegelförmigen Bohrungen 6 ist durch eine Verstellbarkeit des Ablenkspiegels ermöglicht. Er ist auf einer parallel zur Spiegelebene und senkrecht zur imaginären Spindelachse liegenden, kleinen Spiegelachse 5 in der Innenwand der hohlen Spindel 7 gelagert und mit einer entgegen der Lichtstrahlaussparung 2 durch eine Öffnung in die Spindelwand durchgeführte und etwas überstehende Pinne 4 versehen. Ein Steuerrohr 8 ist über der hohlen Spindel 7 aufgesteckt. Es ist an einem Ende mit einer Wandöffnung gestaltet, in der die Pinne endet und nur eine axiale Bewegung des Steuerrohres 8 erlaubt. Das andere Ende ist mit einem Außengewinde ausgestattet. In der Nähe von diesem Ende ist auf der hohlen Spindel 7 ebenso ein Gewinde äußerlich geschnitten. Beide haben unterschiedliche Steigungen. Eine Muffe 12 verbindet beide Gewinden und trägt gleichzeitig den Ringdauertmagnet 11. Er dient als Rotor eines Spiegelstellschrittmotors mit Stator 10 und Wicklungen 9. Dieser Spiegelstellschrittmotor 9, 10, 11 ist polzahlidentisch mit dem Drehantriebsschrittmotor 13, 14, 15. Beide bekommen von der Steuerintelligenz 34 für konstantbleibende Winkel des Ablenkspiegels die gleichen Impulse. Eine Änderung der Phase des Stromes in den Wicklungen 9 des Spiegelstellschrittmotors 9, 10, 11 bezüglich der Phase des Stromes in den Phasenwicklungen 15 des Drehantriebsmotors 13, 14, 15 verursacht eine relative Verdrehung der Muffe 12 zur hohlen Spindel 7 und zum Steuerrohr 8. Die unterschiedliche Gewindesteigung bewegt das Steuerrohr 8 axial und verändert somit über die Pinne 4 den Anstellwinkel des Ablenkspiegels 3. Für die notwendige Phasenveränderung der Steuerimpulse sorgt die Steuerintelligenz 34.

Eine trichterförmige Gestaltung der hohlen Spindel 7 erlaubt das Einführen des schmalen Spindelende mit dem Ablenkspiegel 3 in Bohrungen mit kleinem Durchmesser. Das breitere Ende erlaubt eine größere Öffnung der Lichtdetektor-Sammellinse 22.

Die kegelstumpfförmige Bohrung der hohlen Spindel 7 ist reflektierend gestaltet. Die Durchmesser der Öffnungen an den beiden Enden sind in bezug auf die axiale Lage der Spindelbohrung so gewählt, daß die Lichtstrahlen aus größeren Streuwinkeln 38, die nicht auf geradem Wege zur Sammellinse 22 gelangen können, auf die Bohrungswand treffen. Dort werden sie ebenso zur Sammellinse 22 abgelenkt, aber wegen des gebrochenen Weges auf den quadrantenähnlichen Ringausschnitte I, II, III, IV des Lichtdetektors 24 abgebildet werden.

Der konvergierende Abtastlichtstrahl 20 wird von der Lichtstrahlquelle 21 axial durch die Bohrung der hohlen Spindel 7 geschickt. Der am Ende der hohlen Spindel 7 befindlicher kleiner Ablenkspiegel 3 lenkt den Lichtstrahl 20 radial ab. Der Winkel des Ablenkspiegels 3 wird von der Steuerintelligenz 34 so gesteuert, daß der Abtastlichtstrahl 20 senkrecht zur Bohrungswand 6 fällt. Somit wandert das im Abtastpunkt 1 zurückgestreute Licht 23 auf dem gleichen Weg des fallenden Lichtstrahls 20 in die Spindelbohrung zurück.

Von der Oberflächenbeschaffenheit bedingt, hat das reflektierte Licht 23 eine größere Divergenz. Der Lichtkegel gelangt kreisförmig auf der Sammellinse 22, wobei die im Wege stehende Lichtstrahlquelle 21 nur eine geringförmige Fläche im Zentrum abschattet. Eine seitliche Ableitung des zurückgestreuten Lichtes 23 oder seitliche Anbringung der Lichtstrahlquelle 21 ist durch Anwendung eines Strahlteilers möglich.

Die auf geraden, vom Abtastpunkt 1 ausgehenden, divergierenden Wege auf die Sammellinse 22 fallenden Lichtstrahlen 23 werden im Mittelpunkt O des Lichtdetektors projiziert. Eine größere Divergenz erzeugt durch Brechung in der Spindelwand ein Signal in den Quadranten I, II, III, IV.

Die Steuerintelligenz 34 benutzt diese Signale zur Regelung der Intensität der Lichstrahlquelle 21. Somit wird eine sehr große Dynamik des Videosignals erreicht. Zur Eliminierung des Rauschens und nicht von der Regelung erfaßten schnellen Schwankungen der Intensität der Lichtstrahlquelle 21, werden die Signale O, I, II, III, IV in der Steuerintelligenz mit dem Signal der tatsächlichen gemessenen Strahlintensität 35 korrigiert. Auf dieser Basis und aus ihr bekannten Spindel-, Spiegel- und Fokuspositionen baut die Steuerintelligenz 34 ein Bild von dem Innern der Bohrung auf.

Die Summe aller Quadrantensignale I, II, III, IV und des Mittelpunktsignals O ergibt die Reflektion (Grauwert) des Abtastpunktes 1. Aus dem Verhältnis der Summe der Quadrantensignale I, II, III, IV zum Mittelpunkt O wird die Rauheit bestimmt.

Die Asymmetrie der Lichtverteilung innerhalb der Quadranten I, II, III, IV zeigt eine Abweichung der Abtastfläche von der runden Bohrungsform, bzw. eine Krümmung der Abtastebene 36. Die Steuerintelligenz 34 ermittelt die Richtung dieser Krümmung aus der Lage des Maximums in den Quadranten I, II, III, IV und den momentanen Drehwinkel der hohlen Spindel 7.

Aus der Höhe des Maximums wird in etwa die Größe der Abweichung von der runden Form, bzw. der Größe der Unebenheit bestimmt.

Im "Teach in"-Betrieb wird diese Messung zur Bestimmung der Konizität einer Bohrung und Ermittlung des Anstellwinkels des Ablenkspiegels 7 benutzt.

Die Lage des Strahl-Detektorblocks 27 ist vom Radius der Abtastbohrung 6 abhängig und wird beim "Teach in" zu seiner Findung benutzt.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur schnellen Erzeugung von hochauflösendem und meßgenauem Bildsignal von Oberflächen, insbesondere zur Erzeugung von endlosen Panoramabildern vom Innern von Bohrungen, durch Abtasten mit einem Lichtstrahl aus einer ortsfesten Lichtquelle, der koaxial durch den Innenraum einer rotierenden hohlen Spindel verläuft, von einem in der Spindelbohrung zentrisch und schräg angebrachten, mitgedrehten Ablenkspiegel mit radialem Ausblick durch eine Öffnung in der Spindelwand, senkrecht zur Abtastfläche abgelenkt wird, von dort reflektiert, über denselben Ablenkspiegel zurück im Spindelinnenraum gelangt und nach einer Strecke entlang der Rotationsachse weiter zu einem ortsfesten Lichtdetektor gelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlquelle (21) im Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser der hohlen Spindel (7), in der imaginären Rotationsachse der Spindel (7) plaziert und zum Ablenkspiegel (3) ausgerichtet, hinter ihr eine Sammellinse (22) im Durchmesser größer als die Lichtstrahlquelle (21) sowie ein Lichtdetektor (24) koaxial angeordnet sind, so daß der Abtastlichtstrahl (20) nach dem Austritt aus der Lichtrahlquelle (21) zentrisch durch die Spindelbohrung zum Ablenkspiegel (3) verläuft, von ihm zur Abtastfläche (6) reflektiert, im Abtastpunkt (1) seinen Fokus erreicht, und das vom Abtastpunkt (1) reflektierte Licht (23) über den Ablenkspiegel (3) zurück in den Spindelinnenraum gelenkt, kegelförmig divergierend, kreisförmig um die im Wege liegende Lichtstrahlquelle (21) verlaufend, auf die Sammellinse (22) fällt und von ihr auf den Lichtdetektor (24) im Fokus gebündelt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlquelle (21), die Sammellinse (22) und der Lichtdetektor (24) zueinander unbeweglich in einem Strahl-Detektorblock (27) zusammengefaßt und mit Hilfe von einer Fokuslinearführung (26), Fokusgewindespindel (28) und Fokusschrittmotor (30) entlang der imaginären Rotationsachse der hohlen Spindel (7), relativ zum Ablenkspiegel (3), zusammen verstellbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Strahl-Detektorblock (27) gewandte, nichtspiegeltragende Ende der hohlen Spindel (7), vergrößert im Außendurchmesser, in Form eines geraden hohlen Kreiszylinders gestaltet ist, wobei die Manteloberfläche die radiale und die beiden parallelen Ebenen die axialen Laufflächen des Rotors (18) eines präzisen hochtourigen Gaslagers (19) bilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kreiszylinderförmige Gaslagerrotor (18) von innen eine kranzförmige Aussparung aufweist, die mit Mikrofilterstoff (17) ausgefüllt und durch kleine Öffnungen (16) zur Mantelfläche entlüftet ist, so daß beim Ausfall der Luftzufuhr die von der Fliehkraft in der kranzförmigen Aussparung komprimierte Luft durch die Öffnungen (16) in den Lagerspalt eindringt und einen Notlauf gewährleistet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der hohlen Spindel (7) in unmittelbarer Nähe des Gaslagers (19) ein ringförmiger Dauermagnet (14) starr angebracht ist, der mindestens eine diametrale Magnetisierung aufweist und zusammen mit einem über ihm zentrisch positionierten Statorpaket (13) mit Phasenwicklungen (15) einen Schrittmotor als Drehantrieb der hohlen Spindel (7) bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Statorpaket (13), das Gaslager (19) mit Hohlspindel (7), die Fokuslinearführung (26) mit Strahl-Detektorblock (27) und der Fokusschrittmotor (30) mit Fokusgewindespindel (28) in einem Abtastkopf (29) zusammengefaßt sind, auf einer Abtastlinearführung (25) liegen und von einem Abtastschrittmotor (33) mit Abtastspindel (32) parallel zur imaginären Rotationsachse der hohlen Spindel (7) bewegt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf (29) mit einem zylindrischen Parabolspiegel (37), dessen Fokusachse mit der imaginären Rotationsachse der Hohlspindel (7) übereinstimmt, versehen ist, wobei die Parabelachse senkrecht und die imaginäre Hohlspindelrotationsachse parallel zur Abtastebene (36) ausgerichtet sind, und daß der vom Ablenkspiegel (3) radial abgelenkte Abtastlichtstrahl (20) nach Reflexion am zylindrischen Parabolspiegel (37) immer senkrecht auf die Abtastfläche fällt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ablenkspiegel (3) auf einer parallel zur Spiegelebene und senkrecht zur imaginären Spindelachse liegenden, kleinen Spiegelachse (5) in der Innenwand der hohlen Spindel (7) gelagert und mit einer entgegen der Aussparung (2) durch eine Öffnung in der Spindelwand durchgeführte, etwas überstehende Pinne (4) versehen ist,
daß ein Steuerrohr (8), an einem Ende mit einer Wandöffnung gestaltet, in der die Pinne (4) endet und somit nur eine axiale Bewegung des Steuerrohres (8) erlaubt, am anderen Ende mit einem Außengewinde ausgestattet, über der hohlen Spindel (7) aufgesteckt ist, und
daß eine, an ihren beiden Enden mit Gewinde verschiedener Steigung gestaltete Muffe (12) das Außengewinde des Steuerrohrs (8) mit einem außen auf der hohlen Spindel (7) geschnittenen Gewinde verbindet, wobei eine zur Spindel (7) relative Verdrehung der Muffe (12) wegen der verschiedenen Steigungen beider Gewinde eine axiale Bewegung des Steuerrohrs (8) und somit über die Pinne (4) eine Veränderung des Anstellwinkels des Ablenkspiegels (3) bewirkt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 5, 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Muffe (42) von einem Ringdauermagnet (11) umschlossen wird, der zusammen mit einem zentrisch über ihm befindlichen, auf dem Abtastkopf (29) befestigten Stator (10) mit Wicklungen (9) einen Spiegelstellschrittmotor (9), (10), (11) mit der gleichen Polzahl wie der Drehantriebsschrittmotor (13), (14), (15) bildet, wobei eine Änderung der Phase des Stromes in den Wicklungen (9), relativ zu der Phase des Stromes in den Phasenwicklungen (15) des Drehantriebschrittmotors (13), (14), (15), eine Veränderung des Anstellwinkels des Ablenkspiegels (3) zur Folge hat.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die hohle Spindel (7) trichterförmig gestaltet ist, wobei der Ablenkspiegel (3) am schmalen Spindelende liegt, während das breitere Ende zum Strahl-Detektorblock (27) gewandt ist, und gleichzeitig als Rotor (18) des Glaslagers (19) dient.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die kegelstumpfförmige Bohrung der hohlen Spindel (7) reflektierend gestaltet ist und die Durchmesser der Öffnungen an beiden Enden in bezug auf die axiale Lage der Spindelbohrung zwischen Abtastpunkt (1) und Sammellinse (22) so gewählt sind, daß die Lichtstrahlen aus größeren Streuwinkeln (38), die nicht auf geradem Wege zur Sammellinsenöffnung gelangen können, von der Bohrungswand der hohlen Spindel (7) reflektiert und zur Sammellinse (22) umgelenkt werden, und,
daß die empfindliche Fläche des Lichtdetektors (24) in vier quadrantenähnliche Ringausschnitte (I, II, III, IV) und in einen Mittelkreis (O) aufgeteilt ist, wobei der Durchmesser des Mittelkreises (O) so groß wie die Projektion (40) des Abtastflecks (1) ist, und das vom Abtastfleck (1) bis zur Sammellinse (22) auf geradem Wege gelangte reflektierte Licht (23) im Mittelkreis (O) des Lichtdetektors (24) projiziert, aber die von der Bohrungswand der hohlen Spindel (7) reflektierten Strahlen (39) auf den Ringausschnitten (I, II, III, IV) abgebildet werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß alle Sensoren, insbesondere ein in der Lichtstrahlquelle (21) befindlichen Intensitätssensor, die Quadranten (I, II, III, IV) und der Mittelpunkt (O) des Lichtdetektors (24) zu einer gemeinsamen Steuerintelligenz (34) geführt werden, die die Intensität der Lichtstrahlquelle (21) regelt und alle Bewegungselemente, insbesondere Drehantriebschrittmotor (13), (14), (15), Spiegelstellschrittmotor (9), (10), (11), Fokusschrittmotor (30) und Abtastschrittmotor (33) zwecks Kontrolle einer vorher programmierten Bohrung steuert oder "Teach in"-Verfahren leistet,
aus ihr bekannten Spindel-, Spiegel- und Fokuspositionen und aus Signalen des Lichtdetektors ein Bild von dem Inneren der Bohrung oder von der Abtastebene aufbaut, über die Lage des Maximums der Lichtverteilung innerhalb der Quadranten (I, II, III, IV), bezogen auf den momentanen, bekannten Spindeldreh- und Spiegelstellwinkel, die Richtung und die Größe der Abweichung von der programmierten Kurve oder die Richtung und die Größe der Korrektur der "Teach in"-Grundkurve ermittelt,
durch Findung des Maximums der Signalintensität im Punkt (O) den optimalen Fokus und aus der bekannten Position des Strahl-Detektorblocks (29) den Radius kontrolliert oder findet,
aus der Summe der Signale aller Quadranten (I, II, III, IV) relativ zu einem Fokusmaximum des Signals im Punkt (O) die Rauheit mißt,
aus der Summe der Signale aller Quadranten (I, II, III, IV) und des Signals des Mittelpunktes (O) die Gesamtreflektion im Abtastpunkt bestimmt,
zur Erhöhung des dynamischen Bereiches die Intensität der Lichtstrahlquelle (21) bis zum Erreichen einer optimalen Amplitude der Signale aus dem Mitelpunkt (O) oder aus den Quadranten (I, II, III, IV) regelt und zur Erhöhung der Amplitudenauflösung die Intensität des Lichtstrahls (20) mittels Lichtstrahlintensitätssignals (35) mißt und auf Basis der genau gemessenen Intensität eine Feinkorrektur der Signale aus den Quadranten (I, II, III, IV) und Mittelpunkt (O) durchführt.