DE10128334A1

DE10128334A1 - Illumination of objects for speckle-pattern shearing interferometry by illuminating from several directions to give overlapping regions to match contour of object under test

Info

Publication number: DE10128334A1
Application number: DE2001128334
Authority: DE
Inventors: Frank Voessing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2002-08-29

Abstract

One or more coherent radiation sources illuminate the object surface simultaneously from several directions. The illuminated sub-regions of the object section under test can selectively completely intersect each other and overlap, so that the illumination or intensity can be matched specifically to the contour of the object. An illumination apparatus is also claimed.

Description

State of the art

Der Vorteil der shearografischen Verfahren (Speckle-Pattern-Shearing-Interferometrie, abgekürzt Shearografie,) i. a. liegt in der Einfachheit und der relativen Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse, z. B. mechanische Schwingungen der Messapparatur. Es lassen sich sowohl in-plane Dehnungen als auch out-of-plane Neigungen ermitteln. Das Verfahren der in-plane Dehnungsmessung wurde in P 4446887.3 ausführlich beschrieben. Zu diesen hier angeführten Veröffentlichungen sei angemerkt, dass auch hier mehrere Beleuchtungsrichtungen bzw. die sich daraus ergebenen Sensitivitätsvektoren genutzt werden. In keinem Fall erfolgt jedoch die Beleuchtung aus verschiedenen Richtungen gleichzeitig. Shearografische Verfahren und die zu ihrem Verständnis notwendigen mathematischen Grundlagen sind dem Fachmann allgemein bekannt (DE 28 06 845 C, DE 40 36 120 A1, Y. Y. Hung in "Shearography: A Novel and Practical Approach for Nondestructive Inspection", Journal of Nondestructive Evaluation, Vol. 8, No. 2, 1989, S. 55-67 und Y. Y. Hung, A. J. Durelli in "Simultaneous Measuring of Three Displacement Derivatives Using a Multiple Image-Shearing Interferometric Camera", Journal of Strain Analysis, Vol. 14, No. 3, 1979, S. 81-88).The advantage of shearographic methods (speckle pattern shearing interferometry, abbreviated shearography,) i. a. lies in the simplicity and the relative insensitivity against external influences, e.g. B. mechanical vibrations of the measuring apparatus. Leave it both in-plane strains and out-of-plane inclinations are determined. The procedure the in-plane strain measurement was described in detail in P 4446887.3. To this The publications cited here should be noted that there are also several Illumination directions and the resulting sensitivity vectors are used become. In no case, however, does the lighting come from different directions simultaneously. Shearographic processes and those necessary for their understanding Mathematical foundations are generally known to the person skilled in the art (DE 28 06 845 C, DE 40 36 120 A1, Y.Y. Hung in "Shearography: A Novel and Practical Approach for Nondestructive Inspection ", Journal of Nondestructive Evaluation, Vol. 8, No. 2, 1989, pp. 55-67 and Y. Y. Hung, A. J. Durelli in "Simultaneous Measuring of Three Displacement Derivatives Using a Multiple Image Shearing Interferometric Camera ", Journal of Strain Analysis, Vol. 14, No. 3, 1979, pp. 81-88).

Zur Vermeidung von Wiederholungen werden alle genannten Dokumente hiermit ausdrücklich zum Gegenstand der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gemacht.To avoid repetition, all documents mentioned are hereby expressly made the subject of the disclosure of the present application.

Zur Beobachtung von Objektoberflächen für die Dehnungs- und Neigungsmessung (in-plane und out-of-plane) mittels der Speckle-Pattern-Shearing-Interferometrie, abgekürzt Shearografie, wird die zu untersuchende Objektoberfläche mit kohärentem Licht (Laserstrahl) beleuchtet. Das hierzu kohärente Licht wird bisher nur aus Strahlquellen mit gleichen bzw. nahezu gleichen Beleuchtungswinkeln auf das Objekt gerichtet, so dass ein einheitlicher, bestimmter Sensitivitätsvektor zur Auswertung zur Verfügung steht. Bei der zerstörungsfreien Bauteilanalyse wird hier die Beleuchtungsquelle i. d. R. nahe an der Kamera angeordnet, so dass sich die Beleuchtungsrichtung nahezu parallel bzw. identisch mit der optischen Achse ergibt. Hierdurch können die nicht diffus sondern direkt an der Objektoberfläche reflektierten Strahlen in die Kamera gelangen und so eine lokale Überbelichtung gegenüber dem restlichen Bildbereich erzeugen.For observing object surfaces for strain and inclination measurement (in-plane and out-of-plane) using the speckle pattern shearing interferometry Shearography, the object surface to be examined with coherent light (Laser beam) illuminated. The light that is coherent for this purpose has so far only come from beam sources the same or almost the same lighting angles directed at the object, so that a uniform, specific sensitivity vector is available for evaluation. In the The source of illumination i. d. R. close to the camera arranged so that the direction of illumination is almost parallel or identical to the optical axis results. As a result, they can not be diffuse but directly on the Object reflected surface rays get into the camera and so local Generate overexposure to the rest of the image area.

invention

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dass bei der shearografischen Messung die Beleuchtung durch Laserlicht nicht wie sonst üblich durch einen einheitlichen Beleuchtungswinkel (Sensitivität) pro Intensitätsregistrierung der Shearografie-Kamera, sondern hier gleichzeitig mit unabhängig arbeitenden Strahlquellen unter unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln gearbeitet wird. Das neuartige Verfahren und Vorrichtung benötigt insbesondere für die qualitative Analyse z. B. im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung keine genau definierten und gleichen Beleuchtungswinkeln für mehrere Beleuchtungen, so dass eine oder mehrere für sich jeweils kohärente aufgeweitete oder flächenhafte Strahlquellen gleichzeitig von mehreren Richtungen bzw. Beleuchtungsrichtungen - somit unterschiedliche Sensitivitätsvektoren - die Objektoberfläche beleuchten können. Die beleuchteten Bereiche können sich hierbei wahlweise vollständig oder nur bereichsweise überlappen.Based on this prior art, the invention is based on the object that in shearographic measurement, the illumination by laser light is not as usual through a uniform illumination angle (sensitivity) per intensity registration of the Shearography camera, but here simultaneously with independently working beam sources working under different lighting angles. The novel process and Device needed especially for the qualitative analysis z. B. in the field of non-destructive testing no precisely defined and identical lighting angles for several illuminations, so that one or more expanded coherent for each or areal beam sources simultaneously from several directions or Illumination directions - thus different sensitivity vectors - the Can illuminate the object surface. The illuminated areas can be different either overlap completely or only partially.

Vorteil hierbei ist, dass sich die auf der Bildebene aufgrund der (diffusen) Reflexion an der Objektoberfläche ergebende Intensitäten speziell in Abhängigkeit der Kontur der zu prüfenden Objektoberfläche (z. B. gekrümmte oder ebene Fläche) angepasst und eine gleichmäßige Ausleuchtung erreicht werden kann. Dabei wirkt sich der zusätzliche Freiheitsgrad in Form der Beleuchtungsrichtung dahingehend günstig aus, dass die Einfallswinkel der Strahlen von der Beleuchtungsquelle an die jeweiligen Punkte der Objektoberfläche des Prüfbereichs so gerichtet werden können, dass die jeweiligen korrespondierenden idealen Ausfallswinkel bezüglich der örtlichen Oberflächennormale nicht direkt in die Bildebene des Sensors (Kamera) gerichtet sind und so direkte Strahlungen und Reflexionen in die Kamera und die damit verbundenen Überbelichtung im Verhältnis zum übrigen Teil der Objektoberfläche vermieden werden. Darüber hinaus können auch die einzelnen Lichtquellen der einzelnen Beleuchtungsrichtungen unabhängig voneinander arbeitende nicht kohärente Strahlquellen sein und somit beispielsweise durch mehrere einzelne Laserdioden realisiert werden.The advantage here is that due to the (diffuse) reflection on the image plane Intensities resulting object surface especially depending on the contour of the the object surface to be tested (e.g. curved or flat surface) and a uniform illumination can be achieved. The additional has an effect Degree of freedom in the form of the lighting direction to the extent that the Angle of incidence of the rays from the illumination source to the respective points of the Object surface of the test area can be directed so that the respective the corresponding ideal angle of reflection with respect to the local surface normal is not are directed directly into the image plane of the sensor (camera) and so direct radiation and Reflections in the camera and the associated overexposure in relation to the remaining part of the object surface can be avoided. In addition, the individual light sources of the individual lighting directions independently of each other working non-coherent radiation sources and thus, for example, by several individual laser diodes can be realized.

description

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 4.The characteristic features of claims 1 to 4 serve to achieve this object.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt:The invention is explained below in conjunction with the accompanying drawings. It shows:

Fig. 1 schematisch ein Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Ableitung von in-plane und out-of-plane Verformungsanteilen, wobei hier beispielgebend eine konvex als auch eine konkav gekrümmte Oberfläche ober- und unterhalb der Symmetrieachse gezeigt wird. Fig. 1 schematically illustrates a method and device for determining the derivative of plane and in out-of-plane deformation units, with exemplary here a convex and a concave curved upper surface, and is shown below the axis of symmetry.

Fig. 2 zeigt schematisch im Gegensatz dazu den Aufbau von bekannten, bisher genutzten, konventionellen Verfahren und Vorrichtung mit nur einer Beleuchtungsrichtung. Im Gegensatz zum Fall in Fig. 1 wird hier das Licht bei glänzenden Oberflächen direkt in die Kamera reflektiert. In contrast, FIG. 2 shows schematically the structure of known, previously used, conventional methods and devices with only one direction of illumination. In contrast to the case in FIG. 1, the light is reflected directly into the camera in the case of shiny surfaces.

Das Verfahren und Vorrichtung nach Fig. 1 stellt eine Draufsicht einer Zweistrahlbeleuchtungsmethode dar, das sich aus einem Messkopf (1), dem Beobachtungsfeld (2) bzw. (8) und einer Strahlquellenhalterung (3) einer Shearografie- Messeinrichtung zusammensetzt. Der Messkopf (1) beinhaltet die notwendigen allseits bekannten Bauelemente, die hier nicht näher bezeichnet werden. An der Strahlquellenhalterung (3) werden die zur Messung notwendigen Strahlquellen (4) und (5), die kohärentes Licht aussenden, befestigt. Ihre Ausrichtung erfolgt unter einem frei eingestellten Beleuchtungswinkel auf das zu untersuchende Objekt. Der Beobachtungsstrahl (6) und (7) wird dabei von der Objektoberfläche (9) bzw. (10) reflektiert und über das Beobachtungsfeld (2) registriert. Der Messkopf (1) verarbeitet anschließend die Intensitäten des reflektierten Lichtstrahls nach dem bekannten shearografischen Prinzip.The method and device according to FIG. 1 represents a top view of a two-beam illumination method, which is composed of a measuring head ( 1 ), the observation field ( 2 ) or ( 8 ) and a beam source holder ( 3 ) of a shearography measuring device. The measuring head ( 1 ) contains the necessary well-known components, which are not described in more detail here. The beam sources ( 4 ) and ( 5 ) which emit coherent light and are necessary for the measurement are attached to the beam source holder ( 3 ). They are aligned at a freely set angle of illumination on the object to be examined. The observation beam ( 6 ) and ( 7 ) is reflected by the object surface ( 9 ) or ( 10 ) and registered via the observation field ( 2 ). The measuring head ( 1 ) then processes the intensities of the reflected light beam according to the known shearographic principle.

Neu im Sinne des Verfahrens und Vorrichtung stellt nun die gleichzeitige Nutzung mehrerer kohärenten Lichtquellen (Laserlicht) mit unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln dar, wodurch mit unterschiedlichen Sensitivitätsvektoren gearbeitet wird. Dadurch können sich die beleuchteten Teilbereiche des zu überprüfenden Objektausschnittes sich wahlweise vollständig überschneiden oder auch entsprechend mehr oder weniger überlappen und somit eine Anpassung an die Reflexionseigenschaften der Oberfläche in Abhängigkeit der Oberflächenbeschaffenheit und Krümmung erfolgen. Die sich daraus ergebende Intensität der reflektierenden Lichtstrahlen kann somit einfach der zu prüfenden Objektoberfläche angepasst werden, so dass sich aus Sicht der Shearografiekamera eine gleichmäßige Ausleuchtung erreicht wird. Hierbei können nicht nur ebene, sondern auch konvexe (9) sowie konkave (10) Objektoberflächen geprüft werden.New in the sense of the method and device is the simultaneous use of several coherent light sources (laser light) with different illumination angles, which means that different sensitivity vectors are used. As a result, the illuminated partial areas of the object section to be checked can either overlap completely or overlap accordingly to a greater or lesser extent, and thus an adaptation to the reflection properties of the surface takes place as a function of the surface properties and curvature. The resulting intensity of the reflecting light beams can thus be easily adapted to the object surface to be checked, so that uniform illumination is achieved from the point of view of the shearography camera. Not only flat, but also convex ( 9 ) and concave ( 10 ) object surfaces can be checked.

Durch die Variabilität der Beleuchtungswinkel untereinander können somit die Einfallswinkel der Strahlen von der Beleuchtungsquelle an die jeweiligen Punkte der Objektoberfläche des Prüfbereichs so gerichtet werden, dass die jeweiligen korrespondierenden idealen Ausfallswinkel bezüglich der örtlichen Oberflächennormale nicht direkt in die Bildebene des Sensors (Kamera) gerichtet sind und so direkte Strahlungen vermieden werden.Due to the variability of the lighting angles with each other, the angles of incidence can thus be reduced the rays from the illumination source to the respective points on the object surface of the Test area so that the respective corresponding ideal Angle of reflection with respect to the local surface normal is not directly in the image plane of the Sensors (camera) are directed and direct radiation is avoided.

Die Beleuchtung an gekrümmten Bauteilen mit nicht kooperativen bzw. (matt) glänzenden oder metallischen Oberflächen für die shearografische zerstörungsfreie Prüfung wird dadurch, ohne das zur Vermeidung von Reflexionen eine diffuse Oberfläche durch besondere Oberflächenbehandlung erzeugt werden muss, möglich.The lighting on curved components with non-cooperative or (matt) shiny or metallic surfaces for shearographic non-destructive testing thereby without causing a diffuse surface to avoid reflections special surface treatment must be generated, possible.

Zur Realisierung dieses Verfahrens und Vorrichtung können die einzelnen Lichtquellen der einzelnen Beleuchtungsrichtungen auch unabhängig voneinander arbeitende nicht kohärente Strahlquellen sein und somit beispielsweise durch mehrere einzelne Laserdioden realisiert werden. Dies stellt zur Realisierung eines Meßsystems eine wichtige und kostenreduzierende Eigenschaft dar.To implement this method and device, the individual light sources of the individual lighting directions also independently working non-coherent Be beam sources and thus realized, for example, by several individual laser diodes become. This represents an important and essential for the implementation of a measuring system represents a cost-reducing property.

Claims

1.Method and device for illuminating objects for interferometric speckle shearography, characterized in that one or more coherent widened or areal beam sources, each of which is coherent, illuminate the object surface simultaneously from several directions or illumination directions - thus different sensitivity vectors - the illuminated partial areas of the The object section to be checked can either completely overlap or overlap accordingly, so that the lighting or the intensity resulting from it on the image plane specifically matches the contour of the object surface to be checked (e.g. curved or flat surface) and a uniform one Illumination can be achieved.

2. Method and device for illuminating objects for interferometric Speckle shearography according to claim 1, preferably characterized in that the lighting angles can be chosen accordingly so that the Angle of incidence of the rays from the illumination source to the respective points of the Object surface of the test area are directed so that the respective corresponding ideal angle of failure with respect to the local Surface normals are not directed directly into the image plane of the sensor (camera) direct radiation are avoided.

3. Method and device for illuminating objects for interferometric Speckle shearography according to the preceding claims, thereby characterized that the individual light sources of each Illumination directions also independently working non-coherent Can be radiation sources and thus, for example, by several individual Laser diodes can be realized.

4. Method and device for illuminating objects for interferometric Speckle shearography according to the preceding claims, thereby characterized that the lighting on curved components with no cooperative or (matt) shiny or metallic surfaces for the shearographic non-destructive testing becomes possible without avoiding it from reflections a diffuse surface must be created by spray chalk.