DE10150437A1

DE10150437A1 - Non-destructive evaluation of the inner surface of a tunnel using an optical technique, such as laser speckle interferometry, that allows the surface to be quickly and reliably evaluated from inside the tunnel

Info

Publication number: DE10150437A1
Application number: DE2001150437
Authority: DE
Inventors: Andreas Ettemeyer
Original assignee: Ettemeyer AG
Current assignee: Ettemeyer AG
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2003-04-17

Abstract

Method for testing tunnel walls for cracks and cavities in the wall surface uses an optical, contactless measurement method for detection of deformation of the wall inner wall. Possible measurement methods include speckle interferometry, such as laser or electronic speckle interferometry, electronic speckle pattern interferometry, DSPI, shearography or holography. An Independent claim is made for a device for detection of the 3-D form and shape of the inner surface of a tunnel wall comprises a speckle interferometer with a laser light source, and a camera detection device.

Description

I. Field of application

Die Erfindung betrifft die Prüfung von Tunnelbauwerken. The invention relates to the testing of tunnel structures.

II. Technical background

Tunnel können aufgrund Mängeln in der Bauphase, vor allem aber aufgrund der natürlichen Alterung Mängel aufweisen wie in der Innenfläche der Tunnelwandung endende Risse, in der Tunnelwandung eingebettete, in sich geschlossene Hohlräume ohne Verbindung zur Innenfläche. Werden derartige Risse oder Hohlräume nicht entdeckt, so können sie zur Ablösung von Teilen der Tunnelwandung führen. Tunnels can be due to defects in the construction phase, but especially due to the Natural aging has defects as in the inner surface of the tunnel wall ending cracks, self-contained in the tunnel wall Cavities without connection to the inner surface. Such cracks or voids If not discovered, parts of the tunnel wall can become detached.

Bisher war es bekannt, Tunnelwände manuell durch Abklopfen und akustische Prüfung des Tones zu testen. Weiterhin sind bereits optische Meßverfahren bekannt, die zur Überprüfung von Oberflächenverformungen von Gegenständen bei Belastung des Gegenstandes eingesetzt werden. Dies war bisher jedoch nur bei endlich großen Gegenständen angewandt worden, die beispielsweise insgesamt in eine Unterdurck- oder Überdruckkammer verbracht werden konnten oder bei denen zumindest die von der Beobachtungsseite abgewandte Rückseite zum Einbringen von Belastungen zugänglich war. Previously it was known to knock tunnel walls manually and acoustically Testing the tone to test. Furthermore, there are already optical measuring methods known to check the surface deformation of objects Load of the object can be used. However, this has only been the case so far finally large objects have been applied, for example overall could be placed in a vacuum or overpressure chamber or at which at least the back facing away from the observation side Introducing charges was accessible.

Bei Tunnelbauten jedoch besteht das Problem darin, dass abseits der Innenfläche der Tunnelwandung eine quasi-unendlich dicke Wandung vorhanden ist, nämlich der den Tunnel umgebende z. B. Berg, und dadurch eine Belastungseinbringung von der Außenseite dieser Wandung her nicht zielführend ist. The problem with tunnels, however, is that away from the inner surface the tunnel wall has a quasi-infinitely thick wall, namely the z. B. mountain, and thereby a load introduction is not expedient from the outside of this wall.

III. Presentation of the invention a) Technical task

Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Prüfung von Tunnelwandungen zu schaffen, welche einfach und kostengünstig einsetzbar ist, insbesondere ohne Beschädigung der Tunnelwandung arbeitet und ausschließlich vom Inneren des Tunnels her einsetzbar ist. It is therefore the object according to the invention, a method and a To create a device for testing tunnel walls, which simple and is inexpensive to use, especially without damaging the tunnel wall works and can only be used from inside the tunnel.

b) Lösung der Aufgabeb) solving the problem

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 26 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dadurch, dass die Tunnelwandung von ihrer Innenfläche her belastet wird, können optische Meßverfahren wie die Speckle-Interferometrie zur Ermittlung von unter Belastung der Tunnelwandung auftretenden Verformungen der Innenfläche benutzt werden, welche Aufschlüsse über in oder hinter der Innenfläche liegende Risse oder Hohlräume geben. This object is solved by the features of claims 1 and 26. Advantageous embodiments result from the subclaims. As a result of that the inside of the tunnel wall can be visually loaded Measuring methods such as speckle interferometry to determine under load deformations of the inner surface occurring in the tunnel wall are used, what information about cracks in or behind the inner surface or Give voids.

Als optische Meßverfahren können klassische Verfahren wie die Holographie oder die Schearographie eingesetzt werden, insbesondere wird jedoch hierfür die bekannte Speckle-Interferometrie verwendet, insbesondere mit einem Laser als Beleuchtungsquelle. Insbesondere sind hierfür ESPI und DSPI geeignet. Classic methods such as holography or Schearography can be used, but in particular the known speckle interferometry used, especially with a laser as Illumination source. ESPI and DSPI are particularly suitable for this.

Wie bekannt, werden bei der Speckle-Interferometrie berührungslos und flächenhaft Verlagerungen von Oberflächenpunkten bestimmt, indem eine Vielzahl von Punkten der Oberfläche, in der Regel ein Raster mit einem Punktabstand von maximal 0,1 mm - hinsichtlich deren Verlagerung zwischen einem Ausgangszustand und einem Meßzustand, in der Regel einem kraftbeaufschlagten Zustand, beobachtet werden. Die Addition bzw. Subtraktion der dabei erzeugten Raster- Aufnahmen bzw. deren Datenfelder ergibt bei optischer Darstellung typische Streifenbilder, und erlauben sowohl eine computergestützte als auch qualitativ optisch-manuelle Auswertung. Dabei sind sowohl 2D- als auch 3D-Speckle- Interferometer bekannt, mit denen also die Verformung in nur zwei Koordinatenachsen (in der Regel die beiden Raumrichtungen der beobachteten Fläche) oder in drei Koordinatenachsen (zusätzlich die Lotrechte zur beobachteten Fläche) ermittelt werden kann. Die für die Messung notwendige Belastung der Innenfläche der Tunnelwandung kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen:
Beispielsweise können Abschnitte des Tunnels druckdicht verschlossen und das Innere des Tunnels unter einen Überdruck oder Unterdruck gesetzt werden. Dies ist beispielsweise möglich durch Abschotten des gesamten Tunnelquerschnittes an zwei in Längsrichtung des Tunnels voneinander beabstandeten Stellen oder auch durch Aufsetzen einer druckdichten Glocke auf den momentanen Prüfbereich der Tunnelwandung, und Aufschlagen der so abgedichteten Bereiche des Tunnelinneren mit Über- oder Unterdruck. As is known, in speckle interferometry, non-contact and areal displacements of surface points are determined in that a large number of points on the surface, usually a grid with a maximum point spacing of 0.1 mm, with regard to their displacement between an initial state and a measuring state, usually in a state under power. The addition or subtraction of the raster images or their data fields produced in this way results in typical stripe images in the case of optical display, and permit both computer-aided and qualitative optical-manual evaluation. Both 2D and 3D speckle interferometers are known, with which the deformation in only two coordinate axes (usually the two spatial directions of the observed surface) or in three coordinate axes (additionally the perpendicular to the observed surface) can be determined. The loading of the inner surface of the tunnel wall necessary for the measurement can take place in different ways:
For example, sections of the tunnel can be closed in a pressure-tight manner and the inside of the tunnel can be placed under an overpressure or underpressure. This is possible, for example, by sealing off the entire tunnel cross-section at two points spaced apart from one another in the longitudinal direction of the tunnel or by placing a pressure-tight bell on the current test area of the tunnel wall, and opening up the areas of the tunnel sealed in this way with overpressure or underpressure.

Vorzuziehen ist jedoch das mechanische Einbringen einer Belastung in die Innenfläche der Tunnelwandung, insbesondere die kurzfristige Einbringung durch Stoß- oder Schwingungsanregung dieser Innenfläche, vorzugsweise nur an einem Punkt oder an einer eng begrenzten Fläche. However, the mechanical introduction of a load into the is preferable Inner surface of the tunnel wall, in particular the short-term introduction by impact or vibration excitation of this inner surface, preferably only at one point or in a narrow area.

Die Aufnahme der Innenwand muß dann natürlich zeitlich abgestimmt zum Zeitpunkt der Belastung bzw. im richtigen zeitlichen Abstand nach Einbringen der Belastung erfolgen, um möglichst den Zeitpunkt der maximalen Verformung der Innenfläche im Meßbereich zu erfassen. Zu diesem Zweck ist es auch sinnvoll, mehrere Aufnahmen kurz hintereinander, beispielsweise mittels eines gepulsten Laser, über einen definierten Zeitraum nach insbesondere unmittelbar nach der Einbringung der Stoß- oder Schwingungsbelastung durchzuführen. The inclusion of the inner wall must then of course be timed Time of the debit or at the correct time interval after the Load take place at the time when the maximum deformation of the Detect inner surface in the measuring range. For this purpose, it also makes sense several recordings in quick succession, for example by means of a pulsed Laser, for a defined period of time, in particular immediately after the Introduce the shock or vibration load.

Die Stoß- oder Schwingungseinbringung kann dabei entweder berührungslos, vorzugsweise über starke elektromechanische Schwingungen (Ultraschall oder niederfrequente Schwingung im Bereich von 1 bis 30 hz, vorzugsweise von 1 bis 10 hz) erfolgen oder durch mechanischen Kontakt zu einer Anstoßmasse, die einen einmaligen oder mehrfachen Schlag gegen die Oberfläche der Wand führt, insbesondere ein sogenannter Shaker zum Einbringen von mechanischen Schwingungen durch Körperkontakt, der auf die Innenfläche aufgesetzt werden kann. The impact or vibration can either be contactless, preferably via strong electromechanical vibrations (ultrasound or low frequency vibration in the range from 1 to 30 Hz, preferably from 1 to 10 Hz) or by mechanical contact with an abutment mass hits the wall surface once or several times, in particular a so-called shaker for introducing mechanical Vibrations caused by physical contact that are placed on the inner surface can.

In diesem Fall ist vor allem auf eine schwingungsmäßige Endkopplung des Shakers von der Meßvorrichtung, insbesondere der aufnehmenden Kamera, in der Regel einem CCD-Sensor, zu achten. In this case, it is mainly due to an oscillatory end coupling of the Shakers from the measuring device, especially the recording camera, in the Usually a CCD sensor to watch out for.

Während kontaktlose Einbringung in der Regel großflächig zumindest über den gesamten momentanen Beobachtungsbereich erfolgt, geschieht die kontaktierende mechanische Einbringung in der Regel nur in einer kleinen Fläche, also quasipunktuell. Dabei wird die Einbringung vorzugsweise im oder nur knapp außerhalb des Beobachtungsbereiches erfolgen, um aufgrund kurzer Entfernungen zum Beobachtungsbereich die Dämpfung so gering wie möglich zu halten und damit die Größe der einzubringenden Belastung gering zu halten. While contactless insertion usually over a large area at least takes place in the entire current observation area, the contacting mechanical insertion usually only in a small area, so quasipunktuell. The introduction is preferably in or just outside of the observation area to take place due to short distances To keep the attenuation as low as possible and thus the Keep the size of the load to be kept low.

In Ausnahmefällen kann es sinnvoll sein, im Gegensatz hierzu die Belastungseinbringung mechanisch bei Überprüfung der Tunnelwände und der Tunneldecke dennoch in den Tunnelboden durchzuführen, und dann entsprechend stark zu gestalten. Dies ist sinnvoll wenn der Tunnelboden entsprechend hoch belastbar ausgeführt ist und eine schwingungstechnisch gute Verbindung zwischen dem Boden und den Seitenwänden und der Decke des Tunnels gegeben ist. In exceptional cases it can be useful, in contrast to the Mechanical loading when checking the tunnel walls and the tunnel ceiling nevertheless carry out in the tunnel floor, and then correspondingly strong shape. This is useful if the tunnel floor can withstand high loads is executed and a good connection between the vibration Floor and the side walls and the ceiling of the tunnel is given.

Um überhaupt das Vorhandensein von Rissen bzw. Hohlräumen qualitativ festzustellen, ist es in der Regel ausreichend zu ermitteln, ob Verformungen, vorzugsweise lotrecht zur Innenfläche, bei Belastung auftreten, die größer als ein vorgegebener Schwellwert sind. For the presence of cracks or voids at all As a rule, it is sufficient to determine whether deformations, preferably perpendicular to the inner surface, occur under load greater than one are predetermined threshold.

Darüber hinaus sind jedoch auch quantitative Aussagen über derartige Risse und Hohlräume möglich. In addition, however, there are also quantitative statements about such cracks and Cavities possible.

Die Größe der Verformung lotrecht zur Innenfläche (immer bezogen auf eine definierte, insbesondere gleich hohe Belastung) gibt Aufschluß über die Größe des Risses bzw. Hohlraumes gemessen lotrecht zur Innenfläche. The size of the deformation perpendicular to the inner surface (always related to one defined, in particular equally high load) provides information about the size of the Crack or cavity measured perpendicular to the inner surface.

Die Größe der Verformung in Richtung der Oberfläche - sofern sie ermittelt wird - kann Aufschluß geben über die Erstreckung des Risses bzw. Hohlraumes in Richtung der Erstreckung der Innenfläche. The size of the deformation in the direction of the surface - if it is determined - can provide information about the extent of the crack or cavity in Direction of the extension of the inner surface.

Die zeitliche Verzögerung des Auftretens der größten Verformung bzw. das Nachschwingverhalten dieser Verformung gegenüber dem Zeitpunkt des Auftretens der Belastung kann Aufschluß geben über die Tiefe, also die Entfernung des Risses oder Hohlraumes von der Innenfläche und/oder die Materialbeschaffenheit des Materiales zwischen der Innenfläche und dem Riß bzw. Hohlraum. The time delay of the occurrence of the greatest deformation or the Post-vibration behavior of this deformation compared to the time of occurrence the load can provide information about the depth, ie the distance of the Crack or cavity from the inner surface and / or the material properties of the material between the inner surface and the crack or cavity.

Aus den genannten Gründen kann es sinnvoll sein, trotz des dafür notwendigen erhöhten Aufwandes für die Meßvorrichtung und die Auswertung der Meßsignale auch die Verformungen in Richtung der Innenfläche zu ermitteln. For the reasons mentioned, it can make sense, despite the necessary increased effort for the measuring device and the evaluation of the measurement signals also determine the deformations in the direction of the inner surface.

Vorzugsweise wird die die Meßeinheit enthaltende Meßvorrichtung nicht auf die Innenfläche aufgesetzt, um eine schwingungstechnische Endkopplung von der Anregung sicherzustellen. Preferably, the measuring device containing the measuring unit is not applied to the Placed on the inner surface to provide a vibration coupling from the Ensure suggestion.

Ein Aufsetzen auf die Innenfläche, beispielsweise unmittelbar außerhalb des jeweiligen momentanen Beobachtungsbereiches, der etwa einen m² groß sein kann, ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Einbringung der Belastung ebenfalls innerhalb, beispielsweise im Zentrum, des Beobachtungsbereiches erfolgt. Placing on the inner surface, for example immediately outside the respective current observation area, which can be approximately one m ² , is particularly useful if the load is also applied, for example in the center, of the observation area.

Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen: An embodiment according to the invention is exemplified below described. Show it:

c) working examples

Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen: Embodiments of the invention are hereinafter with reference to the figures described in more detail by way of example. Show it:

Fig. 1a Prinzipdarstellung der Electronic Speckle Pattern Interferometrie (ESPI), mit dem Meßobjekt im Ausgangszustand, FIG. 1a schematic diagram of the electronic speckle pattern interferometry (ESPI), with the object to be measured in the initial state

Fig. 1b eine Darstellung gemäß Fig. 1a mit Meßobjekt im belasteten Zustand, FIG. 1b shows a representation according to Fig. 1a with the measurement object in the loaded state,

Fig. 1c eine geometrische Situation, Fig. 1c a geometrical situation

Fig. 2 ein Gleichungssystem, Fig. 2 is a system of equations,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der ESPI mittels dualer Beleuchtung, Fig. 3 is a schematic representation of the ESPI means of dual illumination,

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung einer dreidimensionalen ESPI-Meßvorrichtung, Fig. 4 is a schematic representation of a three-dimensional ESPI measuring device,

Fig. 5 Prinzipdarstellung der Vorrichtung im Tunnel. Fig. 5 schematic representation of the device in the tunnel.

Zunächst wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 4 die Ermittlung der relativen Verlagerung von Punkten auf der Oberfläche des Meßobjektes 1 zwischen dem Ausgangszustand bzw. Ausgangszustand einerseits und dem Meßzustand, also einem Zustand, in dem das Meßobjekt 1 mit einer Kraft beaufschlagt oder verlagert wurde, andererseits erläutert, wie es nach dem ESPI Stand der Technik ist. First, 1 to determine the relative displacement of points on the surface of the measurement object 1 between the initial state or starting state of a part, and the measuring state, ie a state in which the measurement object 1 acted upon by a force or is displaced with reference to the FIGS. To 4 was, on the other hand, explained how it is according to the ESPI state of the art.

In der Regel ist der Meßzustand dabei ein belasteter Zustand des Meßobjekts 1, indem sich die Oberfläche des Meßobjekts 1 insgesamt, z. B. aufgrund Druckbeanspruchung, der Meßeinheit 2 annähert, oder auch sich von dieser entfernt (z. B. aufgrund Zugbeanspruchung parallel zur beobachteten Oberfläche des Meßobjekts). Ebenso sind auch partielle Verlagerungen der Oberfläche des Meßobjektes möglich, indem z. B. im Meßzustand kleine Aufwölbungen auf der Objektoberfläche auftreten, wie in Fig. 1b zu erkennen. Demgegenüber zeigt Fig. 1a die Situation im Ausgangszustand des Meßobjekts 1. Bis auf die in Fig. 1b ersichtliche Aufwölbung ist die Relativposition zwischen Meßobjekt und Meßeinheit die gleiche. As a rule, the measurement state is a loaded state of the measurement object 1 , in that the surface of the measurement object 1 as a whole, e.g. B. due to compressive stress, the measuring unit 2 , or also away from it (z. B. due to tensile stress parallel to the observed surface of the object). Partial displacements of the surface of the measurement object are also possible, for example by B. small bulges occur in the measurement state on the object surface, as can be seen in Fig. 1b. In contrast, FIG. 1 a shows the situation in the initial state of the measurement object 1 . Except for the bulge shown in FIG. 1b, the relative position between the measurement object and the measurement unit is the same.

Das Grundprinzip der Electronic Speckle Pattern Interferometrie, im folgenden kurz ESPI genannt, soll zunächst anhand der Fig. 1a und 1b beschrieben werden:
Dabei wird ein Beobachtungsbereich 6 auf der Oberfläche des Meßobjektes 1 mit Licht gleicher Wellenlänge, insbesondere einem Laser 3, in Beleuchtungsrichtung 8, direkt oder über mindestens einen Umlenkspiegel 30, bestrahlt. Die von der Objektoberfläche zurückgeworfenen Lichtstrahlen werden in einer hiervon unterschiedlichen Beobachtungsrichtung 9 von einer Kamera 4, in der Regel einem hochauflösenden, flächigen CCD-Sensor, aufgenommen. Für jeden einzelnen Objektpunkt der Oberfläche im Beobachtungsbereich 6 des Meßobjektes 1 trifft somit eine Lichtwelle, die Objektwelle 28, auf der Kamera 4 auf, welche beim Auftreffen auf die Kamera eine bestimmte Phasenlage, entsprechend der durchlaufenen Gesamtweglänge von dem Laser 3 bis zur Kamera 4 und der verwendeten Wellenlänge, aufweist. Die Gesamtweglänge der Objektwelle ist jedoch nicht absolut bekannt. The basic principle of electronic speckle pattern interferometry, hereinafter referred to as ESPI for short, will first be described with reference to FIGS. 1a and 1b:
In this case, an observation area 6 on the surface of the measurement object 1 is irradiated with light of the same wavelength, in particular a laser 3 , in the illumination direction 8 , directly or via at least one deflection mirror 30 . The light rays reflected by the object surface are recorded in a different viewing direction 9 by a camera 4 , usually a high-resolution, flat CCD sensor. For each individual object point of the surface in the observation area 6 of the measurement object 1 , a light wave, the object wave 28 , strikes the camera 4 , which, when it strikes the camera, has a specific phase position, corresponding to the total path length traveled from the laser 3 to the camera 4 and the wavelength used. However, the total path length of the object wave is not absolutely known.

Auf der Kamera 4 trifft weiterhin eine Referenzwelle 27 auf, die ebenfalls vom Laser 3 stammt und damit die gleiche Wellenlänge besitzt, jedoch bei ihrem Auftreffen auf der Kamera 4 in einer von der Objektwelle 28 unterschiedlichen Phasenlage auftreffen kann aufgrund eines anderen Laufweges. Die Referenzwelle 27 wurde nicht vom Meßobjekt reflektiert und ist insbesondere aus dem Beleuchtungsstrahl für das Objekt mittels eines halbdurchlässigen, zur Beleuchtungsrichtung 8 schräg gestellten, ersten Spiegels 21, welcher sich zwischen dem Laser 3 und dem Meßobjekt 1 befindet, abgezweigt, und wird über einen zweiten halbdurchlässigen Spiegel 22, welcher sich quer zur Beobachtungsrichtung 9 verlaufend auf dieser Beobachtungsrichtung 9 befindet, ebenfalls auf die Kamera 4 geleitet. A reference wave 27 , which also originates from the laser 3 and thus has the same wavelength, still strikes the camera 4 , but when it strikes the camera 4 in a different phase position from the object wave 28 , it may strike due to a different path. The reference wave 27 was not reflected by the measurement object and is branched off in particular from the illumination beam for the object by means of a semi-transparent first mirror 21 , which is inclined to the illumination direction 8 and is located between the laser 3 and the measurement object 1 , and is branched off via a second semitransparent mirror 22 , which is located transversely to the direction of observation 9 on this direction of observation 9 , also directed to the camera 4 .

Für die Mittelstrahlen des kegelförmigen oder zylindrischen Bündels von Beleuchtungsstrahlen und reflektierten Strahlen ist dies in den Figuren für einen bestimmten Objektpunkt 7 eingezeichnet, welcher als Abbildungspunkt 17 auf der lichtempfindlichen Fläche der Kamera 4 abgebildet wird. For the central rays of the conical or cylindrical bundle of illuminating rays and reflected rays, this is shown in the figures for a specific object point 7 , which is imaged as an imaging point 17 on the light-sensitive surface of the camera 4 .

Das Gleiche geschieht auch für jeden anderen Punkt der Oberfläche des Beobachtungsbereiches 6 der Oberfläche des Meßobjektes 1, wobei jeder Punkt des Beobachtungsbereiches 6 einem Punkt auf der lichtempfindlichen Fläche des Kamera 4 entspricht. The same happens for every other point on the surface of the observation area 6 of the surface of the measurement object 1 , each point of the observation area 6 corresponding to a point on the light-sensitive surface of the camera 4 .

Im folgenden sind alle Vorgehensweisen immer nur bezogen auf den mittigen Objektpunkt 7 und den mittigen Abbildungspunkt 17 beschrieben, gleiches trifft jedoch auch für alle anderen Punkte des Beobachtungsbereiches 6 sowie der lichtempfindlichen Fläche 16 der Kamera 4 zu, da sowohl die Beleuchtung als auch die Beobachtung nicht nur mittels eines einzelnen Lichtstrahles bzw. Lichtquelle, sondern jeweils mittels eines Bündels erfolgt, so daß eine flächenhafte Beobachtung des Meßobjektes gegeben ist. In the following, all procedures are only described with reference to the central object point 7 and the central imaging point 17 , but the same also applies to all other points of the observation area 6 and the light-sensitive surface 16 of the camera 4 , since neither the illumination nor the observation only by means of a single light beam or light source, but in each case by means of a bundle, so that areal observation of the measurement object is given.

Auf dem Abbildungspunkt 17 der Kamera treffen somit eine Referenzwelle 27 sowie eine Objektwelle 28 auf, die sich in der Regel in ihrer Phasenlage beim Auftreffen im Abbildungspunkt 17 durch eine Phasendifferenz 4' unterscheiden, und nur zufällig die Phasendifferenz 0 aufweisen können. A reference wave 27 and an object wave 28 thus impinge on the imaging point 17 of the camera, which generally differ in their phase position when they strike the imaging point 17 by a phase difference 4 ′, and can only have the phase difference 0 by chance.

Beispielsweise hat dabei die Objektwelle 28 vom Laser 3 bis zur Kamera 4 eine Weglänge von x+0,1 mal die verwendete Wellenlänge λ zurückgelegt, die Referenzwelle 27 dagegen einen Weg von y+0,3 mal die verwendete Wellenlänge λ. Die Phasendifferenz Φ beträgt demnach 0,2. x und y, die ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge, sind nicht bekannt und werden auch nicht erfaßt. For example, the object wave 28 from the laser 3 to the camera 4 has traveled a path length of x + 0.1 times the wavelength λ used, while the reference wave 27 has traveled a path of y + 0.3 times the wavelength λ used. The phase difference Φ is therefore 0.2. x and y, the integer multiples of the wavelength, are not known and are not recorded either.

Diese Phasendifferenz Φ ist für jeden der Abbildungspunkte auf der lichtempfindlichen Fläche 16 der Kamera 4 eine andere, und entsprechend ist jeder Abbildungspunkt mehr oder weniger hell. Für die gesamte lichtempfindliche Fläche 16 ergibt dies ein unregelmäßiges Fleckenbild mit hellen und dunklen Bereichen. This phase difference Φ is different for each of the imaging points on the photosensitive surface 16 of the camera 4 , and accordingly each imaging point is more or less bright. For the entire photosensitive surface 16 , this results in an irregular patch image with light and dark areas.

Führt man den gleichen Vorgang, wie er eben für ein Meßobjekt 1 im Ausgangszustand beschrieben wurde, für den Meßzustand des Meßobjekts 1 gemäß Fig. 1b durch, so hat sich der Objektpunkt 7 aufgrund einer Aufwerfung der Meßobjektoberfläche in diesem Bereich der Meßeinheit 2 gegenüber dem Ausgangszustand etwas angenähert, so daß die Objektwelle 28' auf dem Abbildungspunkt 17 nunmehr in einer anderen Phasenlage, entsprechend dem veränderten kürzeren Laufweg der Objektwelle, auftrifft. Die Referenzwelle 27' ist dagegen mit der Referenzwelle 27 der Messung im Ausgangszustand identisch, da sich der Laufweg der Referenzwelle nicht geändert hat. If one carries out the same process as was just described for a test object 1 in the initial state, for the measured state of the test object 1 according to FIG. 1b, then the object point 7 has a different position from the initial state due to the surface of the test object being raised in this area of the measuring unit 2 somewhat approximated so that the object wave 28 'now strikes the imaging point 17 in a different phase position, corresponding to the changed shorter travel of the object wave. The reference wave 27 ', on the other hand, is identical to the reference wave 27 of the measurement in the initial state, since the path of the reference wave has not changed.

Somit ergibt sich nunmehr zwischen Referenzwelle 27' und Objektwelle 28' im Abbildungspunkt 17 die Meß-Phasendifferenz Φ + Δ, die sich folglich im Abbildungspunkt 17 der lichtempfindlichen Fläche 16 auch in seiner Helligkeit gegenüber der im Ausgangszustand erhaltenen Normal-Phasendifferenz Φ unterscheidet. Thus, between the reference wave 27 'and the object wave 28 ' in the imaging point 17, there is the measurement phase difference Φ + Δ, which consequently also differs in brightness from the imaging point 17 of the photosensitive surface 16 in comparison with the normal phase difference Φ obtained in the initial state.

Im Meßzustand ergibt sich somit für die gesamte lichtempfindliche Fläche 16 ein qualitativ etwa gleiches, im Detail z. B. in Anordnung der Flecken jedoch unregelmäßiges Fleckenbild. In the measurement state, there is thus a qualitatively approximately the same for the entire photosensitive surface 16 , in detail, for. B. in the arrangement of the spots, however, irregular spots.

Der Differenzwert Δ, also der Unterschied zwischen der Normal-Phasendifferenz Φ und der Meß-Phasendifferenz Φ + Δ zwischen der Messung im Ausgangszustand und der Messung im Meßzustand in einem bestimmten Abbildungspunkt 17 entspricht somit - bei kleinen Verlagerungen des Objektpunktes 7 zwischen Ausgangszustand und Meßzustand - der veränderten Laufweglänge der Objektwelle zwischen Ausgangszustand und Meßzustand. The difference value Δ, that is to say the difference between the normal phase difference Φ and the measurement phase difference Φ + Δ between the measurement in the initial state and the measurement in the measured state in a specific imaging point 17 thus corresponds - with small displacements of the object point 7 between the initial state and the measured state - the changed path length of the object wave between the initial state and the measuring state.

Aufgrund der Winkelbeziehungen im Dreieck - wie in Fig. 1c dargestellt - läßt sich die Verlagerung e des Objektpunktes 7 zwischen dem Ausgangszustand (7) und dem Meßzustand (7') in Meßrichtung 10 ermitteln. Based on the angular relationships in the triangle - as shown in FIG. 1c - the displacement e of the object point 7 between the initial state ( 7 ) and the measuring state ( 7 ') in the measuring direction 10 can be determined.

Das durch den Laser 3, die Kamera 4 und den Objektpunkt 7 bzw. 7' gebildete Dreieck läßt sich durch die Winkelhalbierende vom Objektpunkt 7 aus, welches die Meßrichtung 10 darstellt, in zwei Dreiecke aufteilen, wobei der Winkel α, unter dem die Meßrichtung 10 auf die Verbindungslinie zwischen Laser 3 und Kamera 4 auftrifft, durch die Geometrie der Anordnung von Laser und Kamera zueinander bekannt ist, und grob auch die Winkel β und γ, die die Orientierung von Laser und Kamera darstellen. The triangle formed by the laser 3 , the camera 4 and the object point 7 or 7 ′ can be divided into two triangles by the bisector of the object point 7 , which represents the measuring direction 10 , the angle α, at which the measuring direction 10 strikes the connecting line between laser 3 and camera 4 , is known by the geometry of the arrangement of laser and camera to each other, and roughly also the angles β and γ, which represent the orientation of the laser and camera.

Auch die Länge der Dreiecksseite a ist bekannt, nämlich der halbe direkte Abstand zwischen Laser 3 und Kamera 4. Da ferner bekannt ist, daß der Unterschied zwischen den Dreiecksseiten c und c' dem halben Differenzwert Δ/2 entspricht, läßt sich über die Winkelbeziehungen im Dreieck die Verlagerungskomponente e des Objektpunktes 7 in Meßrichtung 10 auf den Objektpunkt 7' im Meßzustand berechnen. The length of the triangle side a is also known, namely half the direct distance between laser 3 and camera 4 . Since it is also known that the difference between the triangle sides c and c 'corresponds to half the difference value Δ / 2, the angular relationships in the triangle can be used to calculate the displacement component e of the object point 7 in the measuring direction 10 to the object point 7 ' in the measuring state.

Dabei ist immer unterstellt, daß die Verlagerung e kleiner ist als die Hälfte des Differenzwertes, Δ/2. Falls die Verlagerung e größer ist, lassen sich die zusätzlichen ganzzahligen Vielfachen von λ bzw. λ/2 aus dem Vergleich mit Nachbar- Punkten ermitteln. It is always assumed that the displacement e is less than half the Difference value, Δ / 2. If the displacement e is larger, the additional integer multiples of λ or λ / 2 from the comparison with neighboring Find points.

In der Praxis erfolgt dies für nicht nur einen Abbildungspunkt 17 auf der Kamera, sondern die gesamte lichtempfindliche Fläche 16 der Kamera, indem die Fleckenbilder aus dem Ausgangszustand und aus dem Meßzustand voneinander subtrahiert werden, indem für jeden Punkt der lichtempfindlichen Fläche 16 der Lichtwert aus dem Meßzustand vom Lichtwert aus dem Ausgangszustand abgezogen wird. Dies ergibt für die lichtempfindliche Fläche 16 insgesamt dann ein Streifenbild. In practice, this is done not only for an imaging point 17 on the camera, but for the entire photosensitive surface 16 of the camera, by subtracting the spot images from the initial state and from the measurement state by the light value from the for each point of the photosensitive surface 16 Measurement state is subtracted from the light value from the initial state. This then results in a stripe image for the photosensitive surface 16 as a whole.

Die Tatsache, daß die Differenz zweier unregelmäßiger Fleckenbilder in der Subtraktion voneinander ein regelmäßiges, streifenförmiges, Bild ergibt, liegt daran, daß sich zwischen Ausgangszustand und Meßzustand eng nebeneinander liegende Objektpunkte 7, 7a, 7b ähnlich verlagern, sofern durch den Meßzustand in der Oberfläche des Objektes kein Riß oder harter Absatz erzeugt wird. The fact that the difference between two irregular spot images in the subtraction from one another results in a regular, strip-shaped image is due to the fact that object points 7 , 7 a, 7 b, which are closely adjacent to one another, shift similarly between the initial state and the measured state, provided that the measured state in the Surface of the object no crack or hard paragraph is generated.

Da die Lichtdifferenzwerte in jedem einzelnen Punkt mittels der an die Kamera, insbesondere einen digital arbeitenden CCD-Sensor, für jeden einzelnen Punkt der lichtempfindlichen Fläche 16 den Differenzwert Δ ermitteln lassen, ist es möglich, aufgrund des Streifenbildes durch Auswertung mittels einer Elektronik und einer zugehörigen Software die Berechnung gemäß Fig. 1c, nämlich die Verlagerung jedes einzelnen Objektpunktes in Meßrichtung 10, für jeden Punkt des Beobachtungsbereiches auf der Oberfläche des Meßobjektes 1 durchzuführen. Since the light difference values in each individual point can be ascertained the difference value Δ for each individual point of the light-sensitive surface 16 by means of the CCD sensor, in particular a digitally working CCD sensor, it is possible to evaluate the strip image by means of electronics and an associated one Software to perform the calculation according to FIG. 1c, namely the displacement of each individual object point in the measurement direction 10 , for each point of the observation area on the surface of the measurement object 1 .

Aus der vorstehenden Beschreibung wird somit klar, daß es bei ESPI auf das Auftreffen zweier Lichtwellen auf dem gleichen Punkt der Kamera ankommt, wobei die Phasendifferenz zwischen den beiden Wellen im Ausgangszustand und im Meßzustand unterschiedlich ist, und aus dem Differenzwert der beiden Phasendifferenzen die Verlagerung des entsprechenden Objektpunktes ermittelt wird. From the above description it is thus clear that ESPI is based on the Impact of two light waves arriving at the same point on the camera, the phase difference between the two waves in the initial state and in Measurement state is different, and from the difference value of the two Phase differences the displacement of the corresponding object point is determined.

Die beiden benötigten Lichtwellen müssen nicht unbedingt die vom Objekt reflektierte Objektwelle 28 und die Referenzwelle 27 sein. Wie Fig. 3 zeigt, können hierfür auch zwei Objektwellen 28a, 28b verwendet werden, welche durch gleichzeitige Beleuchtung des Beobachtungsbereiches 6 des Objektes 1 aus zwei unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen 8a, 8b erhalten werden. The two required light waves do not necessarily have to be the object wave 28 reflected by the object and the reference wave 27 . As FIG. 3 shows, two object waves 28 a, 28 b can also be used for this, which are obtained by simultaneously illuminating the observation area 6 of the object 1 from two different illumination directions 8 a, 8 b.

Die unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen können aus ein und demselben Laser 3 mittels eines Strahlteilers 5 erzielt werden. Der Laser 3 ist dabei in etwa auf den Beobachtungsbereich 6 gerichtet, und durchläuft im Strahlteiler 5 einen ersten halbdurchlässigen Spiegel 21, welcher eine erste Objektwelle 28a seitlich ablenkt, während die verbleibende Welle als zweite Objektwelle 28b in Richtung des Lasers 3 etwas später seitlich, in die Gegenrichtung zur ersten Objektwelle 28a, abgelenkt wird. The different directions of illumination can be achieved from one and the same laser 3 by means of a beam splitter 5 . The laser 3 is directed approximately towards the observation area 6 and passes through a first semi-transparent mirror 21 in the beam splitter 5 , which deflects a first object wave 28 a laterally, while the remaining wave as the second object wave 28 b laterally in the direction of the laser 3 , is deflected in the opposite direction to the first object wave 28 a.

Jede der beiden Objektwellen 28a, 28b wird im weiteren Verlauf über einen vollständig undurchlässigen Spiegel 22 bzw. 23 auf den gleichen Beobachtungsbereich 6 gelenkt. Von dort aus werden die Objektwellen 28a, 28b etwa auf der Winkelhalbierenden zwischen den Beleuchtungsrichtungen 8a, 8b auf eine Kamera 4zurückgeworfen und dort aufgezeichnet, die sich etwa zwischen dem Laser 3 und dem Beobachtungsbereich 6 befindet. Each of the two object waves 28 a, 28 b is directed in the further course via a completely opaque mirror 22 or 23 to the same observation area 6 . From there, the object waves 28 a, 28 b are thrown back to a camera 4 , for example on the bisector between the illumination directions 8 a, 8 b, and recorded there, which is located approximately between the laser 3 and the observation area 6 .

Eine zusätzliche Referenzwelle, die also ohne Objektberührung vom Laser direkt zur Kamera geleitet wird, wird dabei nicht mehr verwendet. An additional reference wave, which means that it does not directly touch the object from the laser is directed to the camera is no longer used.

Der wesentliche Unterschied der Vorgehensweise gemäß Fig. 3 gegenüber Fig. 1 liegt jedoch darin, daß durch diese duale Beleuchtung Verlagerungen des Objektpunktes 7 in Beobachtungsrichtung 9, also auf die Kamera 4 zu, nicht ermittelt werden können, da bei Verlagerung des Objektpunktes 7 auf der Beobachtungsrichtung - sofern dies die Winkelhalbierende aus den Beleuchtungsrichtungen 8a und 8b ist - auch bei beiden Objektwellen 28a, 28b zum gleichen Phasenversatz und folglich zu einem Differenzwert Δ = 0 führen würde. However, the essential difference between the procedure according to FIG. 3 and FIG. 1 is that this dual illumination means that displacements of the object point 7 in the direction of observation 9 , i.e. towards the camera 4 , cannot be determined, since when the object point 7 is displaced on the Observation direction - provided that this is the bisector of the illumination directions 8 a and 8 b - would also lead to the same phase shift in the case of both object waves 28 a, 28 b and consequently to a difference value Δ = 0.

Mit der Vorgehensweise gemäß Fig. 3 können jedoch Verlagerungen des Objektpunktes 7 quer zur Beobachtungsrichtung 9 zwischen Ausgangszustand und Meßzustand ermittelt werden, da dies die Phasenlage der beiden Objektwellen 28a, 28b unterschiedlich verändert, und somit zu einem Differenzwert Δ führt, der über die Winkelbeziehungen im Dreieck den Versatz lotrecht zur Beobachtungsrichtung 9, in der durch die beiden Beleuchtungsrichtungen 8a, 8b aufgespannten Ebene, ermitteln läßt. With the procedure according to FIG. 3, however, displacements of the object point 7 transversely to the direction of observation 9 between the initial state and the measured state can be determined, since this changes the phase position of the two object waves 28 a, 28 b differently, and thus leads to a difference value Δ, which over the Angular relationships in a triangle allow the offset perpendicular to the direction of observation 9 , in the plane spanned by the two directions of illumination 8 a, 8 b, to be determined.

Die Meßrichtung 10b der dualen Beleuchtungsmethode gemäß Fig. 3 steht somit quer, insbesondere lotrecht, zur Beobachtungsrichtung 9 und in der Ebene, welche durch die beiden Beleuchtungsrichtungen 8a, 8b aufgespannten Ebene. Die Beobachtungsrichtung 9 ist wiederum insbesondere die Winkelhalbierende zwischen den beiden Beleuchtungsrichtungen 8a und 8b. The measurement direction 10 b of the dual illumination method according to FIG. 3 is thus transverse, in particular perpendicular, to the observation direction 9 and in the plane which is defined by the two illumination directions 8 a, 8 b. The direction of observation 9 is again in particular the bisector of the angle between the two directions of illumination 8 a and 8 b.

Fig. 4 zeigt eine Einrichtung, die die Vorrichtungen und Vorgehensweisen aus den Fig. 1 und 3 kombiniert:
Einerseits wird durch zwei aus unterschiedlichen Richtungen erfolgende Beleuchtungen eine Verlagerung in einer Meßrichtung 10b quer zur Beobachtungsrichtung 9b, in der Regel der Winkelhalbierenden zwischen den beiden Beleuchtungsrichtungen 8a und 8b, mithin also in der Regel in Richtung der Objektoberfläche, ermittelt. Fig. 4 shows a device which combines the devices and methods of FIGS. 1 and 3:
On the one hand, a shift in a measuring direction 10 b transverse to the observation direction 9 b, usually the bisector between the two lighting directions 8 a and 8 b, and therefore generally in the direction of the object surface, is determined by two illuminations which occur from different directions.

Andererseits wird die Verlagerung des gleichen Objektpunktes 7 in einer Meßrichtung 10a ermittelt, die zur Meßrichtung 10b im Winkel steht, und die Winkelhalbierende zwischen einer der Beleuchtungsrichtungen, z. B. 8a, und der Beobachtungsrichtung 9a = 9b darstellt. On the other hand, the displacement of the same object point 7 is determined in a measuring direction 10 a, which is at an angle to the measuring direction 10 b, and the bisector between one of the lighting directions, for. B. 8 a, and the observation direction 9 a = 9 b.

Die hierfür notwendige Referenzwelle 27 wird - zusätzlich zum Strahlteiler 5 - aus dem Lauf der Lichtstrahlen zwischen dem Laser 3 und dem Strahlteiler 5 vorzugsweise vor dem Strahlteiler 5 mittels eines halbdurchlässigen Spiegels 21 abgezweigt, und mittels weiterer Spiegel 22a, 22b wieder direkt und ohne Objektberührung auf die Kamera 4 geleitet. The reference wave 27 required for this is - in addition to the beam splitter 5 - branched off from the course of the light beams between the laser 3 and the beam splitter 5, preferably in front of the beam splitter 5, by means of a semi-transparent mirror 21 , and again directly and without using further mirrors 22 a, 22 b Object contact directed to the camera 4 .

Wenn zusätzlich die duale Beleuchtung doppelt vorhanden ist, also nicht nur in Form der Beleuchtungsrichtungen 8a und 8b, die in der Zeichenebene der Fig. 4 liegen, sondern durch weitere, nicht dargestellte, Beleuchtungseinrichtungen 8c und 8d, die vorzugsweise im rechten Winkel hierzu liegen, wobei jedoch die daraus resultierende Winkelhalbierende, die Beobachtungsrichtung 9 identisch mit der Beobachtungsrichtung 9, die in Fig. 4 eingezeichnet ist, ist, ergibt sich neben der in Fig. 4 eingezeichneten Meßrichtung 10b eine weitere Meßrichtung 10c, die ebenfalls lotrecht zur Beobachtungsrichtung und damit vorzugsweise in der Ebene der Objektoberfläche liegt, jedoch im Winkel, insbesondere rechtwinklig, zur Meßrichtung 10b, liegt. If, in addition, the dual lighting is present twice, not only in the form of the lighting directions 8 a and 8 b, which are in the plane of the drawing in FIG. 4, but by further lighting devices 8 c and 8 d, not shown, which are preferably in the right There are angles to this, but the resulting bisector, the observation direction 9 is identical to the observation direction 9 , which is shown in Fig. 4, results in addition to the measurement direction 10 b shown in Fig. 4, a further measurement direction 10 c, which also is perpendicular to the direction of observation and thus preferably in the plane of the object surface, but at an angle, in particular at right angles, to the measuring direction 10 b.

Damit ist die Verlagerung des Objektpunktes 7 des Ausgangszustandes in den Objektpunkt 7' des Meßzustandes in drei voneinander unterschiedlichen Meßrichtungen 10a, 10b, 10c bekannt, wobei es egal ist, ob die Verlagerungen in die drei unterschiedlichen Meßrichtungen 10a, 10b, 10c durch ein und dieselbe Meßvorrichtung oder durch getrennte Meßvorrichtungen oder gar Meßverfahren ermittelt wird. The displacement of the object point 7 of the initial state into the object point 7 'of the measuring state in three mutually different measuring directions 10 a, 10 b, 10 c is thus known, it being irrelevant whether the displacements in the three different measuring directions 10 a, 10 b, 10 c is determined by one and the same measuring device or by separate measuring devices or even measuring methods.

Daraus läßt sich ein Gleichungssystem gemäß Fig. 2 erstellen, wobei die Komponenten e_1x, e_1y, e_1Z die Verlagerungskomponenten des Objektpunktes 7 in der ersten Meßrichtung 10a sind, und N1 den Betrag dieser Verlagerung in Meßrichtung 10a, angegeben in der dabei verwendeten Wellenlänge λ1, ist. An equation system according to FIG. 2 can be created from this, the components e _1x , e _1y , e _{1Z being} the displacement components of the object point 7 in the first measurement direction 10 a, and N1 the amount of this displacement in the measurement direction 10 a, indicated in the process wavelength λ1 used.

Werden Messungen in mehr als drei verschiedenen Meßrichtungen durchgeführt, ist das Gleichungssystem theoretisch überbestimmt. In der Praxis dienen jedoch die 4. und jede weitere Meßrichtung der Verringerung des Einflusses von Falschmessungen, Signalrauschen etc. und der Verbesserung des Meßergebnisses. If measurements are carried out in more than three different measuring directions, the system of equations is theoretically over-determined. In practice, however, serve the 4th and each further direction of reduction of the influence of Incorrect measurements, signal noise etc. and the improvement of the measurement result.

Analoges gilt für die zweite und dritte Zeile des Gleichungssystems für die weiteren Meßrichtungen 10b und 10c. The same applies to the second and third lines of the system of equations for the other measuring directions 10 b and 10 c.

In der Regel wird die bei den Ermittlungen der Verlagerungen in den drei Meßrichtungen verwendete Wellenlänge die gleiche sein, so daß λ1 = λ2 = λ3 zu setzen ist. It is usually used to investigate the relocation in the three Measuring directions used wavelength to be the same, so that λ1 = λ2 = λ3 to set is.

Nach den bekannten Regeln zur Lösung eines Gleichungssystems aus drei Gleichungen mit drei Unbekannten lassen sich damit die Faktoren dx, dy, dz ermitteln, welches die Komponenten in den drei aufeinander senkrecht stehenden Raumrichtungen x, y und z sind, um welche sich ein Objektpunkt 7 aus dem Ausgangszustand in einen Objektpunkt 7' im Meßzustand, also im belasteten Zustand des Meßobjektes, verlagert. Damit ist die relative Verlagerung des Objektpunktes in Raumkoordinaten bekannt. According to the known rules for solving a system of equations from three equations with three unknowns, the factors dx, dy, dz can be determined which are the components in the three mutually perpendicular spatial directions x, y and z about which an object point 7 is based shifted from the initial state to an object point 7 'in the measuring state, ie in the loaded state of the measuring object. The relative displacement of the object point in spatial coordinates is thus known.

Zum gleichen Ergebnis kann man auch durch Vergleich der drei Streifenbilder, die sich für die drei Meßrichtungen 10a, 10b, 10c jeweils als Differenzbild der Speckle-Patterns ergeben, erzielen, wenn die Kamerafläche dabei in ihrer Ausrichtung bezüglich des Objekts die gleiche geblieben ist wie z. B. bei der Anordnung gemäß Fig. 4, mit der 3D-ESPI betrieben wird:
Ein und derselbe Objektpunkt nimmt dabei in den drei Streifenbildern auch immer die gleiche Lage auf der Kamerafläche ein, also beispielsweise horizontal um die Strecke L1 vom linken Rand entfernt und vertikal um die Strecke L2 vom oberen Rand entfernt. Stellt man z. B. fest, daß in Meßrichtung 10a dieser Abbildungspunkt 17 zwischen dem zweiten und dritten Streifen, 10% vom zweiten Streifen entfernt, angeordnet ist, dagegen im Streifenbild der Meßrichtung 10b zwar zwischen denselben beiden Streifen, aber 80% vom zweiten Streifen entfernt und bezüglich Meßrichtung 10c genau in der Mitte zwischen dem zweiten und dritten Streifen, so läßt sich damit unter Berücksichtigung der räumlichen Zuordnung der drei Meßrichtungen 10a, 10b, 10c die dreidimensionale Verlagerung des Abbildungspunktes ermitteln, und zwar auch dann, wenn der Objektpunkt in den beiden Streifenbildern zwischen verschiedenen Streifen liegen sollte. The same result can also be achieved by comparing the three stripe images, which result for the three measuring directions 10 a, 10 b, 10 c as a difference image of the speckle patterns, if the camera surface remains the same in its orientation with respect to the object is like B. in the arrangement according to FIG. 4, with which the 3D ESPI is operated:
One and the same object point always occupies the same position on the camera surface in the three stripe images, for example horizontally by the distance L1 from the left edge and vertically by the distance L2 from the upper edge. If you put z. B. firmly that in the measuring direction 10 a this imaging point 17 is arranged between the second and third strips, 10% from the second strip, on the other hand in the strip image of the measuring direction 10 b between the same two strips, but 80% from the second strip and with respect to the measuring direction 10 c exactly in the middle between the second and third strips, so the three-dimensional displacement of the imaging point can be determined taking into account the spatial assignment of the three measuring directions 10 a, 10 b, 10 c, even if the object point should be between different stripes in the two stripe images.

Weiterhin ist zu bedenken, daß alle vorstehenden Überlegungen darauf basiert haben, daß die Verlagerung eines Objektpunktes zwischen dem Ausgangszustand und dem Meßzustand in Meßrichtung, also der Vektor e in Fig. 1c - kleiner als etwa die Hälfte der Wellenlänge des verwendeten Lichts sein soll. Wäre dies nicht sichergestellt, könnte es sein, daß sich die Laufwegslänge des Lichts zwischen Ausgangszustand und Meßzustand nicht nur um den gemessenen Differenzwert Δ, sondern zusätzlich auch um ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge λ unterschieden hätten. It should also be borne in mind that all of the above considerations were based on the fact that the displacement of an object point between the initial state and the measuring state in the measuring direction, that is to say the vector e in FIG. 1c, should be less than approximately half the wavelength of the light used. If this were not ensured, it could be that the path length of the light between the initial state and the measured state would have differed not only by the measured difference value Δ, but also by integer multiples of the wavelength λ.

Ist der Vektor e größer als λ/2, läßt sich die Verlagerung dennoch ermitteln, wenn für wenigstens einen Objektpunkt im Meßfenster der gesamte Verlagerungsvektor vom Ausgangszustand in den Meßzustand bekannt ist, indem dieser Punkt dann als Vergleichspunkt für Nachbarpunkte dient, und diese wieder für ihre Nachbarpunkte etc. If the vector e is greater than λ / 2, the displacement can still be determined if the entire displacement vector for at least one object point in the measurement window is known from the initial state to the measuring state by this point then serves as a comparison point for neighboring points, and this again for theirs Neighboring points etc.

Ist diese Voraussetzung nicht erfüllt, müssen z. B. mehrere Meßschritte hintereinander durchgeführt werden, also z. B. für den ersten Meßzustand nur eine Teilbelastung des Objektes durchgeführt werden. Der zweite Meßschritt besteht darin, daß der erste Meßzustand, also der Meßzustand des ersten Meßschrittes, gleichzeitig der Ausgangszustand für den zweiten Meßschritt ist, in welchem wiederum eine weitere Teilbelastung aufgebracht wird, bis die gewünschte Endbelastung erreicht ist. If this requirement is not met, z. B. several measuring steps be carried out one after the other, e.g. B. only one for the first measurement state Partial loading of the object can be carried out. The second measurement step is that the first measurement state, ie the measurement state of the first measurement step, at the same time is the initial state for the second measuring step, in which in turn a further partial load is applied until the desired final load is reached.

Die sich daraus für jeden einzelnen Oberflächenpunkt ergebenden Teil- Verlagerungen werden zum Schluß addiert. The resulting part for each individual surface point Shifts are added at the end.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß - gerade für die Ermittlung der Dehnung und Spannung in der Oberfläche eines Hohlkörpers - die partiellen, überproportionalen Dehnungen in einem bestimmtem Oberflächenbereich, die in der Regel auf Materialfehler zurückzuführen sind und die man gerade deshalb ermitteln will, überlagert werden von der Gesamtdehnung des Hohlkörpers aufgrund der Druckbeaufschlagung. Another problem is that - just for the determination of the strain and tension in the surface of a hollow body - the partial, disproportionate strains in a certain surface area, which usually are due to material defects and you want to investigate precisely for this reason are superimposed by the total elongation of the hollow body due to the Pressurization.

Wie in Fig. 6 dargestellt, verlagert sich jedoch die gesamte Oberfläche des Objektes 1 - aufgrund der Dehnung bei Druckbeaufschlagung des Inneren des hohlen Objektes 1 - relativ stark nach außen, also auf die Meßeinheit 2 zu. As shown in FIG. 6, however, the entire surface of the object 1 - due to the expansion when the interior of the hollow object 1 is pressurized - moves relatively strongly outwards, that is to say towards the measuring unit 2 .

Demgegenüber ist die zusätzliche Verlagerung der Ausbeulung 15 aus dem Verlauf der übrigen Oberfläche des Objektes 1 heraus relativ gering. In contrast, the additional displacement of the bulge 15 from the course of the rest of the surface of the object 1 is relatively small.

Vorzugsweise wird deshalb die Meßeinheit 2 mit ihren Füßen 31, 32, 33 direkt auf die Oberfläche des Meßobjektes 1 aufgesetzt, und verbleibt dort auch während des Überganges des Objektes vom Ausgangszustand in den Meßzustand. The measuring unit 2 is therefore preferably placed with its feet 31 , 32 , 33 directly on the surface of the measurement object 1 , and remains there even during the transition of the object from the initial state to the measurement state.

Da - bezogen auf den Beobachtungsbereich 6 - sich die Oberfläche des Objektes 1 hinsichtlich ihrer Form nicht ändert, sondern nur zusammen mit der Meßeinheit 3 gegenüber der Mitte des Meßobjektes 1 verlagert wird, wird zwischen Ausgangszustand und Meßzustand von der Meßeinheit 1 de facto nur das Entstehen der Ausbeulung 15 erfaßt. Since - with respect to the observation area 6 - the shape of the surface of the object 1 does not change, but is only shifted together with the measuring unit 3 relative to the center of the measuring object 1 , the measuring unit 1 de facto only creates the result between the initial state and the measuring state the bulge 15 detected.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen üblichen Tunnel mit einer den Tunnel umgebenden Tunnel-Wandung 100. Die dadurch entstehende Innenfläche 104 wird üblicherweise unterschieden in einen Tunnelboden 108 und den Rest der Innenfläche, die üblicherweise der beschriebenen Prüfung unterzogen werden soll. Fig. 5 shows a cross section through a conventional tunnel with a tunnel surrounding tunnel wall 100th The resulting inner surface 104 is usually divided into a tunnel floor 108 and the rest of the inner surface, which is usually to be subjected to the test described.

Die bogenförmige restliche Innenfläche 104 wird in einem Querschnitt in der Regel nicht auf einmal abgetastet, sondern verteilt auf unterschiedliche Segmente als jeweiliger Beobachtungsbereich 6. Da ein solcher Beobachtungsbereich beispielsweise die Fläche von 1 m² umfassen kann, muß auch in Längsrichtung des Tunnels auf gleiche Weise sequentiell vorgegangen werden. The arch-shaped remaining inner surface 104 is generally not scanned in one cross section, but rather distributed over different segments as the respective observation area 6 . Since such an observation area can cover the area of 1 m ² , for example, the same procedure must be followed in the longitudinal direction of the tunnel.

Die Meßeinheit 2, bestehend aus einer oder mehreren Beleuchtungseinheiten und dem als Kamera benutzten CCD-Sensor ist auf einem Schlitten 111 montiert, welcher wiederum in Querrichtung des Tunnels auf einem Meßwagen 107 in Querrichtung verfahrbar ist. Der Meßwagen 107 sitzt an einer bestimmten Position entweder fest auf dem Boden 108 auf, oder ist - wie an der rechten Seite des Meßwagens 107 dargestellt - in Längsrichtung verfahrbar, jedoch fix justierbar. The measuring unit 2 , consisting of one or more lighting units and the CCD sensor used as a camera, is mounted on a carriage 111 , which in turn can be moved in the transverse direction in the transverse direction of the tunnel on a measuring carriage 107 . The measuring carriage 107 either sits firmly on the floor 108 at a certain position or, as shown on the right-hand side of the measuring carriage 107, can be moved in the longitudinal direction, but is fixedly adjustable.

Die Meßeinheit 2 ist gegenüber dem Querschlitten 111 sowohl höhenverstellbar als auch verschwenkbar um wenigstens eine in Tunnellängsrichtung verlaufende Schwenkachse, um die Meßeinheit 2 auf den jeweils gewünschten Beobachtungsbereich ausrichten zu können. The measuring unit 2 is both height-adjustable and pivotable with respect to the cross slide 111 about at least one swivel axis running in the longitudinal direction of the tunnel, in order to be able to align the measuring unit 2 to the respectively desired observation area.

Dabei ist beispielhaft an einer Stelle im Grenzbereich zwischen zwei verschiedenen Beobachtungsbereichen 6 ein Shaker 105 dargestellt, mit dessen Hilfe durch Aufsetzen auf die Innenfläche 104 eine stoßartige Belastung bzw. eine Schwingung in die Wandung 100 eingebracht werden kann. Der Shaker 105 ist vorzugsweise schwingungstechnisch entkoppelt vom Meßwagen 107 und der darauf aufgebauten Meßeinheit 2. Die für die Auswertung notwendige Elektronik ist in der Fig. 5 nicht dargestellt und befindet sich vorzugsweise entweder ebenfalls auf dem Meßwagen 107 oder außerhalb des Tunnels, vorzugsweise gekoppelt mit der Meßeinheit 2 über drahtlose Datenverbindung. A shaker 105 is shown as an example at a point in the border area between two different observation areas 6 , with the aid of which a shock-like load or vibration can be introduced into the wall 100 by being placed on the inner surface 104 . The shaker 105 is preferably decoupled in terms of vibration technology from the measuring carriage 107 and the measuring unit 2 built thereon. The electronics necessary for the evaluation is not shown in FIG. 5 and is preferably either also on the measuring carriage 107 or outside the tunnel, preferably coupled to the measuring unit 2 via a wireless data connection.

Um sicherzustellen, daß die Meßeinheit 2 sich jeweils in dem gewünschten Abstand zur Innenwandung 104 befindet und dabei auch der richtige Beobachtungsbereich 6 eingestellt wird, können vorzugsweise an dem die Meßeinheit tragenden Bauteil oder der Meßeinheit 2 selbst mehrere stangenförmige Abstandstaster 109angeordnet sein, die immer zusammen mit der Meßeinheit 2 verlagert und verschwenkt werden und den Randbereich des Strahlenganges der Meßeinheit darstellen und somit mit ihren freien Enden auch dem Rand des Beobachtungsbereiches 6 auftreffen, wenn sie mit ihren freien Enden in Kontakt mit der Innenfläche 104 gebracht werden. Zusätzlich können diese freien Enden der Abstandstaster 109 in der Regel drei oder vier Abstandstaster pro Meßeinheit 2, eine Markiervorrichtung 110 tragen, um die bereits geprüften Beobachtungsbereiche 6 der Innenwandung 4 sichtbar zu kennzeichnen. In order to ensure that the measuring unit 2 is located at the desired distance from the inner wall 104 and the correct observation area 6 is also set, a plurality of rod-shaped distance sensors 109 , which are always together, can preferably be arranged on the component carrying the measuring unit or the measuring unit 2 itself are displaced and pivoted with the measuring unit 2 and represent the edge region of the beam path of the measuring unit and thus also strike the edge of the observation region 6 with their free ends when they are brought into contact with the inner surface 104 with their free ends. In addition, these free ends of the distance sensors 109 can generally carry three or four distance sensors per measuring unit 2 , a marking device 110 , in order to visibly mark the observation areas 6 of the inner wall 4 that have already been checked.

Selbstverständlich können auf einem Meßwagen 107 auch mehrere Meßeinheiten 2 untergebracht sein, die vorzugsweise den gesamten Querschntit des Tunnels in einem Arbeitsgang miteinander abarbeiten können. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Meßobjekt
2 Meßeinheit
3 Laser
4 Kamera
5 Strahlteiler
6 Beobachtungsbereich
7 Objektpunkt
8 Beleuchtungsrichtung
9 Beobachtungsrichtung
10a, 10b Meßrichtung
11 1. Optik
12 2. Optik
13 3. Optik
14 4. Optik
15 Ausbeulung
16 lichtempfindliche Fläche
17 Abbildungspunkt
21 1. Spiegel
22 2. Spiegel
23 3. Spiegel
24 4. Spiegel
25 5. Spiegel
26 6. Spiegel
27 Referenzwelle
28 1. Objektwelle
29 2. Objektwelle
30 Umlenkspiegel
31 Fuß
32 Fuß
33 Fuß
34 Abstand
100 Tunnelwandung
101 Riß
102 Hohlraum
103 Verformung
104 Innenfläche
105 Shaker
107 Meßwagen
108 Tunnelboden
109 Abstandstaster
110 Markierungsvorrichtung
111 Schlitten
Φ Normal-Phasendifferenz
Φ + Δ Meß-Phasendifferenz
Δ Differenzwert
e Verlagerung
s Shearingstrecke
Of course, several measuring units 2 can also be accommodated on a measuring carriage 107 , which preferably can process the entire cross-section of the tunnel with one another in one operation. REFERENCE SIGN LIST 1 target
2 measuring unit
3 lasers
4 camera
5 beam splitters
6 observation area
7 object point
8 direction of illumination
9 direction of observation
10 a, 10 b direction of measurement
11 1. Optics
12 2. Optics
13 3. Optics
14 4. Optics
15 bulge
16 photosensitive surface
17 figure point
21 1st mirror
22 2nd mirror
23 3rd mirror
24 4. Mirror
25 5. Mirror
26 6. Mirror
27 reference wave
28 1st object wave
29 2nd object wave
30 deflecting mirror
31 feet
32 feet
33 feet
34 distance
100 tunnel wall
101 crack
102 cavity
103 deformation
104 inner surface
105 shaker
107 measuring car
108 tunnel floor
109 distance sensors
110 marking device
111 sledges
Φ normal phase difference
Φ + Δ measurement phase difference
Δ difference value
e relocation
s shearing route

Claims

1. A method for checking a tunnel wall ( 100 ) for cracks ( 101 ) or cavities ( 102 ) in or under the inner surface ( 104 ) of the tunnel wall ( 100 ), characterized in that the occurrence of deformations by means of an optical, in particular non-contact, measuring method ( 103 ) of the inner surface ( 104 ) of the tunnel wall ( 100 ) under load of the tunnel wall ( 100 ) from the inside of the tunnel.

2. The method according to claim 1, characterized in that Speckle interferometry, in particular laser Speckle Interferometry, ESPI = Electronic Speckle Pattern Interferometry, DSPI, Shearography or holography is used.

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the load due to pressure change, in particular overpressure, in particular of more than 1 bar overpressure, is applied inside the tunnel.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the load in the form of a, especially punctual, shock or Vibrations are introduced into the wall.

5. The method according to claim 4, characterized in that the introduction of vibrations without contact, in particular by means of ultrasound or low-frequency vibration, in particular from 1-30 Hertz, takes place.

6. The method according to claim 4, characterized in that the vibration is introduced by means of contact of the inner surface ( 104 ) to an abutment mass (shaker 105 ).

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the selective impact or vibration introduction in the current observation area ( 6 ) or just outside the edge of the current observation area ( 6 ).

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the shock or vibration is introduced in the tunnel floor ( 108 ).

9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the size of the deformation ( 103 ), in particular perpendicular to the direction of the inner surface ( 104 ), takes place only with regard to the exceeding of a minimum deformation (Dmax).

10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the size of the deformation ( 103 ) in the perpendicular to the inner surface ( 104 ) for determining the size of the crack ( 101 ) or cavity ( 102 ) in the direction radially from the inner surface ( 104 ) is used away.

11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the determined size of the deformation ( 103 ) in the direction of the inner surface ( 104 ) for distinguishing between cracks ( 101 ) and self-contained cavities ( 102 ) is used.

12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the time delay and / or the post-vibration behavior of the deformation ( 103 ) with respect to the shock or vibration excitation to determine the distance of the crack ( 101 ) or cavity ( 102 ) from the Inner surface ( 104 ) is used.

13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the deformation ( 103 ) of the inner surface ( 104 ) is also determined in the direction of the inner surface ( 104 ), in particular for determining hairline cracks in the inner surface.

14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the measuring unit ( 2 ) is not placed on the inner surface ( 104 ) of the wall ( 100 ), but is spaced apart therefrom.

15. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the measurement of the entire inner surface ( 104 ) or the desired areas of the inner surface is carried out sequentially in sections, in particular by means of coarse markings visible to the naked eye to distinguish the individual sections.

16. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a common electronic control for controlling the load source on the one hand and the measuring unit ( 2 ) on the other hand is used.

17. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a pulsed laser is used as laser speckle interferometry, the two or several recordings in quick succession, especially with one Interval of less than 1/10 of a second.

18. The method according to any one of the preceding claims, wherein the displacement of the inner surface ( 104 ) of the tunnel wall ( 100 ) is a partial deformation of the inner surface ( 104 ) of the tunnel wall, which is associated with an expansion or shrinkage of the tunnel wall ( 100 ) overall, thereby characterized in that the measuring unit ( 2 ) is held in a position relative to the inner surface ( 104 ) of the tunnel wall ( 100 ) which is identical for the initial state and the measuring state, in particular by placing the measuring unit ( 2 ) directly on the inner surface ( 104 ) of the tunnel wall ( 100 ) ,

19. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the absolute position of at least one object point ( 7 , 7 a) of the inner surface ( 104 ) of the tunnel wall ( 100 ) is determined in at least one of its states, initial state or measurement state, and from this the absolute position of the entire surface of the tunnel wall ( 100 ) in the observation area is calculated both for the initial state and for the measuring state.

20. The method according to claim 19, characterized in that the absolute position of an object point ( 7 ) of the inner surface ( 104 ) of the tunnel wall ( 100 ) is determined by determining the absolute position of the measuring unit ( 2 ) in space and the relative position of the object point ( 7 ) to the measuring unit ( 2 ) is determined.

21. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the determination of the shape of the inner surface ( 104 ) of the tunnel wall ( 100 ) by means of speckle interferometry by changing the path length of at least one of the object waves ( 28 , 29 ) is carried out.

22. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the change in the path length by moving one or more lighting units, in particular the laser ( 3 ), takes place.

23. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the change in the path length by shifting one or more deflecting mirrors arranged in the beam path of the object waves ( 28 , 29 ) before hitting the tunnel wall ( 100 ), preferably transversely to the direction of observation ( 9 ) or measuring direction ( 10 ).

24. The method according to claims 23, characterized in that in the dual illumination method, the deflecting mirrors ( 22 , 23 ) are displaced transversely to the observation direction ( 9 ) by the same amount to the right or to the left with respect to the observation direction or by the same amount an axis which is perpendicular to the measurement plane spanned by the direction of observation and the direction of illumination is pivoted.

25. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the change in the path length by changing the wavelength of the used laser light takes place.

26. Measuring device for three-dimensional determination of the shape and displacement of at least part of the inner surface ( 104 ) of a tunnel wall ( 100 ), in particular for carrying out the method according to one of the preceding claims, wherein the measuring device
using a speckle interferometer
at least one laser ( 3 ),
at least three different lighting directions ( 8 a, 8 b, 8 c),
a camera ( 4 ) with a light-sensitive surface ( 16 )
comprises, characterized in that
two illumination directions ( 8 a, 8 b) can be shifted by the same amounts and to the same side with respect to the observation direction ( 9 ) of the camera ( 4 ), and
the measuring unit ( 2 ) comprises a computing unit for evaluating the recordings of the camera and a display element for displaying the evaluation results.

27. Measuring device according to claim 26, characterized in that in addition to the two symmetrical to the observation direction ( 9 ) arranged observation directions ( 8 a, 8 b) existing illumination direction ( 8 c) in a perpendicular to the through the illumination directions ( 8 a, 8 b ) spanned level.

28. Measuring device according to one of claims 26 to 27, characterized in that the displacement of the lighting directions ( 8 a, 8 b) by a common or several separate, jointly controllable, stepper motors or piezo-driven translators.

29. Measuring device according to one of claims 26 to 28, characterized in that the laser ( 3 ) is variable in its wavelength.

30. Measuring device according to one of claims 26 to 29, characterized in that the measuring unit ( 2 ) at least one foot ( 31 , 32 , 33 ) for placement on the inner surface ( 104 ) of the tunnel wall ( 100 ) in a defined position with respect to the inner surface ( 104 ).

31. Measuring device according to one of claims 26 to 30, characterized in that the measuring unit ( 2 ) has three feet ( 31 , 32 , 33 ) not lying on a line, preferably arranged in the form of an isosceles triangle.

32. Measuring device according to one of claims 26 to 31, characterized in that the measuring unit ( 2 ) is arranged at a defined point in space and a measuring device for determining the distance and the direction of at least one object point ( 7 ) of the inner surface ( 104 ) of Tunnel wall ( 100 ) ( 1 ) relative to the measuring unit ( 2 ).

33. Measuring device according to one of the preceding device claims, characterized in that the measuring device comprises a measuring carriage ( 107 ) on which the measuring unit ( 2 ) is adjustable with respect to the relative position and relative direction to the measuring carriage ( 107 ) and the measuring carriage ( 107 ) in particular on the Tunnel floor ( 108 ) rests.

34. Measuring device according to one of the preceding device claims, characterized in that the measuring carriage ( 107 ) can be moved, in particular can be moved in the longitudinal direction of the tunnel.

35. Measuring device according to one of the preceding device claims, characterized in that the measuring unit ( 2 ) has distance sensors ( 109 ) for the correct spacing and positioning relative to the inner surface ( 104 ), in particular at its front end contacting the inner surface ( 102 ) comprise a marking device ( 110 ).