DE102021125813B4 - Doppelspiegel-Shear-Interferometer und Verfahren zum zerstörungsfreien Messen einer Oberfläche mittels interferometrischer Messverfahren - Google Patents

Abstract

Messanordnung zum zerstörungsfreien Messen der Oberfläche eines Gegenstands (22) mittels interferometrischer Messverfahren, wobei Licht als ein von der Oberfläche (24) reflektierter Lichtstrahl (100) auf die Messanordnung (10) trifft, umfassendeine Blende (20) mit Apertur (21);eine Spiegelanordnung (30) mit zwei Spiegeln (32) mit je einer Spiegeloberfläche (38), wovon einer ein teildurchlässiger Teilspiegel (34) und einer ein Vollspiegel (36) ist, der in Strahlungsrichtung (S) hinter dem teildurchlässigen Teilspiegel (34) angeordnet ist;ein Kameraobjektiv (42) und eine Kamera (40);wobei der eintreffende Lichtstrahl die Blende (20) passiert und dabei gebeugt wird, bevor er auf die Spiegelanordnung (30) trifft und in dieser in zwei Teilstrahlen (110, 120) aufgespalten und abgelenkt wird, die anschließend zur Kamera (40) gelangen und in der Kamera (40) interferieren;wobei der Lichtstrahl (100) in Strahlrichtung (S) das Kameraobjektiv (42) vor der Kamera (40) passiert; undwobei einer der Spiegel (32) der Spiegelanordnung (30) derart rotierbar zu dem anderen Spiegel (32) ist, dass die beiden Spiegel (32) einen von Null verschiedenen Winkel β in einer Ebene normal zu den Spiegeloberflächen (38) einschließen; undwobei die Kamera (40) einen Kamerachip mit einer örtlichen Abtastfrequenz umfasst und die Blende (20) derart ausgebildet ist, dass der eintreffende Lichtstrahl (100) beim Durchtritt durch die Blende (20) derart gebeugt wird, dass seine Raumfrequenz f_Lichtbei der Erfassung auf dem Kamerachip höchstens der maximalen örtlichen Abtastfrequenz des Kamerachips f_max_Kameraentspricht.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zum zerstörungsfreien Messen der Oberfläche eines Gegenstands mittels interferometrischer Messverfahren. Die Vorrichtung umfasst eine Blende, eine Spiegelanordnung und eine Kamera.
• Das zerstörungsfreie Messen einer Oberfläche eines Gegenstands mittels interferometrischer Messverfahren ist prinzipiell bekannt und hat sich als zuverlässiges Verfahren etabliert. Beispielsweise werden hierzu Interferometer eingesetzt. Daneben sind Interferometer bekannt, die auf dem Prinzip der Shearografie beruhen.
• Die Shearografie ist ebenfalls ein zerstörungsfreies Laser-Prüfverfahren zur berührungslosen und hochempfindlichen Fehlerdetektion von Oberflächen. Es ist besonders geeignet für die Messung von modernen Leichtbaumaterialien aus faserverstärkten Kunststoffen. Die Shearografie spielt eine zentrale Rolle bei der Qualitätssicherung in der Luft- und Raumfahrt, zunehmend auch in der Automobilindustrie, wo die Senkung des Energieaufwands und des damit verbundenen Ressourcenverbrauchs zukunftsweisend ist.
• Moderne Shearografie-Messgeräte arbeiten mit frei einstellbarem „Shear“. Hierbei handelt es sich um eine entscheidende Größe zur Empfindlichkeitseinstellung entsprechend der Messaufgabe. Darüber hinaus kommt heutzutage zur typischen Datenverarbeitung für qualitative und quantifizierbare Ergebnisse bei der shearografischen Bauteilanalyse ein sog. Phasenschiebeverfahren zum Einsatz.
• Eine Messanordnung, die auf dem Prinzip der Shearografie und dem räumlichen Phasenschieben beruht, wird in der WO 2020164667 A1 beschrieben, bei dem ein Mach-Zehnder-Interferometer zum Einsatz kommt. Laserlicht, das von einem beleuchteten Messobjekt reflektiert wird, trifft auf einen ersten Strahlteiler und wird in zwei Anteile zerlegt. Jeder Anteil wird auf einen eigenen Spiegel geleitet und dort reflektiert. Ein Spiegel ist um einen Winkel β aus der 45 ° Position heraus verkippt, was den gewünschten „Shear“ erzeugt, der bei der Shearografie notwendig ist. Die beiden Anteile durchlaufen dann jeweils eine Blende, wobei eine der Blenden aus der optischen Mittelachse heraus verschoben ist. Anschließend werden die beiden Anteile in einem zweiten Strahlteiler wieder zusammengeführt, wodurch es zur erwünschten Interferometrie kommt. Dies wird in der Kamera abgebildet und dadurch die shearografische Messung durchführbar. Allerdings ist der Aufbau derartiger Messsysteme aufwändig und teuer.
• Auch andere bekannte shearografische Messapparaturen sind sehr empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen und nur aufwändig im industriellen Einsatz nutzbar. Insbesondere führen Temperaturschwankungen, Vibrationen oder störendes Fremdlicht immer wieder zu Störungen, die eine Messung verhindern oder die die Messergebnisse derart verfälschen, dass sie unbrauchbar sind. Um die Einsatzfähigkeit der Systeme zu gewährleisten, werden entweder langsam arbeitende Messgeräte verwendet, die jedoch Mehrfachmessungen notwendig machen, oder es wird ein hoher Stabilisierungsaufwand betrieben, z.B. durch den Einsatz von schwingungsisolierten Messtischen oder speziellen Fundamenten für Messräume, um Vibrationen zu kompensieren. Vielfach ist auch der Einsatz von starken Lichtquellen für die Messung notwendig, z.B. die Verwendung von starken Lasern, was hohe Anforderungen an die erhöhten Lasersicherheitsklassen und hohe Kosten für leistungsfähige Laser nach sich zieht. Zudem werden die Messsysteme durch die getroffenen Maßnahmen nicht nur teuer, sondern sind auch unflexibel, weisen eine beschränkte Mobilität auf, benötigen einen großen Aufbau und sind zeitaufwändig zu verwenden. Darüber hinaus sind die Systeme häufig benutzerunfreundlich und im industriellen Umfeld nur beschränkt einsetzbar.
• Die Messaufbauten und -systeme, die in DE 4231578 C2 , US 6,606,160 B1 , JP S63- 9 802 A und EP 0189482 A1 beschrieben sind, zeigen optische Sensoraufbauten der Shearografie, bei denen die notwendige Phaseninformationsgewinnung bei der Messung zeitlich erfolgt. Sie weisen alle wenigstens einen Spiegel auf, der während der Messung lateral verschoben werden muss oder ein optisch transmittiertes Element, welches hinsichtlich seines optischen Brechungsindex während der Messung angesteuert werden muss. Neben den hohen Kosten dieser besonderen, hochfein-arbeitenden elektromechanischen bzw. optoelektrischen Bauteile, vermindern sie die Messrobustheit durch die notwendige, kontinuierliche Ansteuerung zur Phaseninformationsgewinnung je Messung stark.
• Es stellt sich somit die Aufgabe eine verbesserte Messanordnung vorzuschlagen, die die Nachteile des Stands der Technik überwindet und bedienerfreundlich und kostengünstig ist.
• Gelöst wird die Aufgabe durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
• In einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Messanordnung zum zerstörungsfreien Messen der Oberfläche eines Messobjekts oder Gegenstands mittels interferometrischer Messverfahren, wobei Licht als ein von der Oberfläche reflektierter Lichtstrahl auf die Messanordnung trifft. Die erfindungsgemäße Messanordnung umfasst eine Blende mit Apertur, eine Spiegelanordnung, ein Kameraobjektiv und eine Kamera. Die Spiegelanordnung hat zwei Spiegel mit je einer Spiegeloberfläche, wovon einer ein teildurchlässiger Teilspiegel und einer ein Vollspiegel ist, der in Strahlungsrichtung hinter dem teildurchlässigen Teilspiegel angeordnet ist.
• Der eintreffende Lichtstrahl passiert die Blende und wird dabei gebeugt, bevor er auf die Spiegelanordnung trifft und in dieser in zwei Teilstrahlen aufgespalten und abgelenkt wird und anschließend zur Kamera gelangt. Die Teilstrahlen des Lichtstrahls interferieren in der Kamera miteinander. Der Lichtstrahl passiert dabei das Kameraobjektiv in Strahlrichtung vor der Kamera. In der Anordnung ist einer der Spiegel der Spiegelanordnung derart rotierbar zu dem anderen Spiegel, dass die beiden Spiegel einen von Null verschiedenen Winkel β in einer Ebene normal zu den Spiegeloberflächen einschließen.
• In der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Messanordnung hat die Kamera einen Kamerachip mit einer örtlichen Abtastfrequenz. Die örtliche Abtastfrequenz des Kamerachips ist dabei der Abstand der photosensiblen Pixel des Chips. Bevorzugt sind die Pixel quadratisch. Bevorzugt kann so maximal Licht mit einer Raumfrequenz mit einer Schwingung pro 2 Kamerapixeln erfasst werden. Die physikalische Einheit der örtlichen Abtastfrequenz beträgt [1/m].
• Die Blende ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass der reflektierte Lichtstrahl beim Durchtritt durch die Blende in einer gewünschten Art gebeugt wird. Der Lichtstrahl wird derart gebeugt, dass seine Raumfrequenz f_Licht (also die des Lichts) bei der Erfassung auf dem Kamerachip höchstens der maximalen örtlichen Abtastfrequenz des Kamerachips f_{max Kamera} entspricht. Unter dem Begriff Raumfrequenz eines optischen Signals wird die Abfolge von hellen und dunklen Bereichen über eine räumliche Achse verstanden; sie hat ebenfalls die Einheit [1/m]. Die Blende erzeugt somit eine Lichtbeugung in der Form, dass höchstens ein heller Interferenzberg oder ein dunkles Interferenztal des auf die Kamera auftreffenden Lichts auf einem Kamerapixel abgebildet wird.
• Es gilt also bevorzugt: $${\text{f}}_{\text{Licht}}\le {\text{f}}_{\text{max Kamera}}\text{ bzw}.{\text{ f}}_{\text{Licht}}\le \raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.{\text{ b}}_{\text{Pixel}}=\text{Pixelbreite des Kamerachips}$$

  
• In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Messsystem mit einer derartigen Messanordnung und einer Auswerteeinheit, die von der Kamera erzeugte Messsignale empfängt und verarbeitet, so dass aus den Messsignalen der interferierenden Teilstrahlen eine für die Oberfläche des zu vermessenden Gegenstands charakteristische Messgröße ermittelt wird, die eine Aussage über Eigenschaften der Oberfläche erlaubt. Zu den Eigenschaften der Oberfläche gehören u.a. die Oberflächenbeschaffenheit, -güte, -verformungen, -verzerrungen und eventuelle Fehlstellen oder die Gleichmäßigkeit der Oberfläche. Auch kann die Güte von Verbindungen von Oberflächen ermittelt werden.
• Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein entsprechendes Verfahren.
• Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass bei auf dem Mach-Zehnder-Aufbau beruhenden Messgeräten, die zwei Strahlteiler umfassen, der optische Weg des Lichts vom Eintritt in das Messgerät bis zur Kamera sehr lang ist und dadurch Abschattungen im Kamerabild verursacht werden. D.h. große Messobjekte können nur umständlich und in mehreren Messschritten erfasst werden, da die Messfläche bei einem typischen Messabstand von ca. 400 mm nur in etwa der Größe einer DIN A4 Seite entspricht. Auch bei Geräten mit Michelson-Aufbau ist der optische Weg des Lichts nur wenig geringer, so dass die gleichen Probleme entstehen.
• Zudem werden beim Durchlauf des Lichts durch die beiden Strahlteiler ungewollte Lichtreflexionen und -absorptionen verursacht, was zu einer Reduktion des Laser-Messlichts führt. Deshalb müssen starke Laserquellen zur Objektbeleuchtung eingesetzt werden, was die Kosten für den Laser erhöht und weitere Kosten für eine erhöhte Laser-Sicherheitsklasse erzeugt. Außerdem wird die Ergebnisqualität durch die Reflexionen herabgesetzt.
• Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die für die Shearografie notwendige Verschiebung zweier Lichtstrahlen auch auf andere Weise erzeugt werden kann. Dazu wurde in Untersuchungen festgestellt, dass der notwendige Shear erzeugt werden kann, wenn der von dem Messobjekt reflektierte Lichtstrahl zunächst eine Blende passiert und anschließend direkt auf eine Spiegelanordnung trifft, in der der Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, wobei durch ein Verkippen oder Verdrehen eines der Spiegel ein Auseinanderfallen der Teilstrahlen hervorgerufen wird, so dass diese in der Kamera interferieren können. Direkt bedeutet hierbei, dass kein Bauteil zwischengeschaltet ist, das den von dem Messobjekt reflektierten Lichtstrahl beugt, teilt oder reflektiert.
• Die Spiegelanordnung ist also derart ausgebildet, dass der auf die Spiegelanordnung auftreffende Lichtstrahl am Teilspiegel in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl aufgeteilt wird, wobei der erste Teilstrahl reflektiert und Richtung Kamera gelenkt wird. Der zweite Teilstrahl passiert den Teilspiegel und wird an dem Vollspiegel reflektiert und Richtung Kamera gelenkt. Dabei passiert der zweite Lichtstrahl den Teilspiegel erneut, diesmal jedoch in anderer Richtung und ebenfalls ohne Ablenkung.
• Die erfindungsgemäße Messanordnung hat den Vorteil, dass auf einen separaten Strahlteiler verzichtet werden kann und das der optische Weg innerhalb der Messanordnung verkürzt werden kann. Der verkürzte Lichtweg führt zu geringeren Abschattungseffekten bei der Messung, so dass im Vergleich zu einem Mach-Zehnder-Aufbau eine doppelt große Messfläche vermessen werden kann. Da die Reflexions- und Absorptionsverluste minimal sind, insbesondere deutlich geringer als bei den bekannten Aufbauten, können schwache Laser mit der niedrigsten Laser-Sicherheitsklasse verwendet werden, die zum einen günstig sind und bei denen zum anderen der hohe Sicherheits- und Schutzaufwand für den Laser entfällt.
• Erfindungsgemäß dient eine derartige Anordnung deshalb auch als Grundlage für ein Doppelspiegel-Shear-Interferometer, insbesondere ein Kleinst-Doppelspiegel-Shear-Interferometer, das auf kleinstem Raum aufgebaut werden kann und sehr gute und zuverlässige Messergebnisse liefert. Die Anordnung ist mit wenigen Bauteilen realisierbar und somit günstig und zudem sehr robust, auch gegenüber Umwelteinflüssen. Ebenso reduziert sich der Montage- und Einstellaufwand. Das System ist mobil und lässt sich einfach an gewünschten Messorten einsetzen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung ist einer der Spiegel der Spiegelanordnung derart ausgerichtet, dass der auf die Spiegelanordnung auftreffende Lichtstrahl um einen Winkel α in Richtung Kamera reflektiert wird und auf die Kamera trifft. Der Winkel α ist bevorzugt mindestens 70°, sehr bevorzugt mindestens 80° und besonders bevorzugt 90°. Darüber hinaus ist der Winkel α höchstens 110°, bevorzugt höchstens 100°. Im Idealfall beträgt der Winkel α 90°. In einem Winkelbereich von ± 20° können aber nach wie vor akzeptable und für die Praxis brauchbare Messergebnisse erzielt werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Spiegel der Spiegelanordnung derart ausgebildet, dass die Spiegeloberflächen, an denen eine Reflexion oder Teilreflexion erfolgt, einen Abstand zueinander aufweisen. Der Abstand ist von 0 verschieden, sodass ein Versatz der beiden in der Spiegelanordnung gebildeten Teilstrahlen erfolgt. Als Abstand x der beiden Spiegeloberflächen wird die Distanz der zu dem eintreffenden Lichtstrahl gerichteten Spiegeloberflächen orthogonal zur Spiegeloberfläche definiert. Als Spiegeloberfläche wird also die Oberfläche des Spiegels angesehen, an der eine Reflexion oder Teilreflexion des eintreffenden Lichtstrahls erfolgt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dieser Abstand x der Spiegeloberflächen ≥ 70 % der Breite der Apertur der verwendeten Blende. Darüber hinaus hat sich in praktischen Untersuchen gezeigt, dass der Abstand x nicht größer als das Siebenfache der Apertur der Blende sein soll.
• Es gilt also bevorzugt: $${\text{b}}_{\text{max Blende}}*\text{cos}\left({45}^{\circ }\right)\le \text{x}\le 10*{\text{b}}_{\text{max Blende}}*\text{cos}\left({45}^{\circ }\right)$$

  
• Unter diesen Voraussetzungen wird aus Blickrichtung der Kamera ein virtueller Doppelspalt sichtbar, der eine ausreichend gute Raumfrequenz für das räumliche Phasenschieben bzw. für eine Raumfrequenzabtastung zur Lichtphasenbestimmung liefert.
• In einer anderen ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung liegt der Winkel, um den der eine Spiegel der Spiegelanordnung gegenüber dem anderen Spiegel der Spiegelanordnung rotiert ist, in einem Bereich zwischen 0,001° und 20°. Bevorzugt ist der Bereich dieses Winkels β zwischen 0,01° und 10°, weiter bevorzugt liegt der Winkel β in einem Bereich zwischen 0,1° und 5°. In der praktischen Anwendung haben sich sehr robuste und aussagekräftige Messungen ergeben, wenn der Winkel β in einem Bereich zwischen 0,2° und 1° liegt. Als optimaler Arbeitsbereich hat sich für viele Messungen zur Bestimmung der Oberflächencharakteristik von Objekten ein Bereich für den Winkel β zwischen 0,5° und 1° etabliert.
• Prinzipiell spielt es keine Rolle, welcher der Spiegel der Spiegelanordnung rotiert ist und welcher als feststehender Spiegel ausgebildet ist. In praktischen Anwendungen hat es sich jedoch gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn der Vollspiegel der Spiegelanordnung rotierbar gegenüber dem Teilspiegel ist. Der Teilspiegel ist also feststehend, während der Vollspiegel verdreht werden kann.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Messanordnung kann das Kameraobjektiv in Strahlrichtung vor der Blende angeordnet sein, um gute Messergebnisse zu erzeugen. Alternativ ist es möglich, dass das Kameraobjekt zwischen der Spiegelanordnung und der Kamera positioniert ist. In beiden Fällen werden gleich gute Messergebnisse erzielt. Je nach Anwendung und Ausführung der Kamera gibt es also unterschiedliche Möglichkeiten, das Objektiv anzuordnen.
• In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung umfasst die Blende einen Spalt mit einer Spaltbreite b, wobei die maximale Spaltbreite b kleiner oder gleich dem Produkt aus Wellenlänge λ des Lichtstrahls, Brennweite f_Objektiv des Kameraobjektivs und maximaler örtlicher Abtastfrequenz des Kamerachips f_{max Kamera} ist.
• Es gilt also bevorzugt für die maximale Spaltbreite der Blende: $${\text{b}}_{\text{max Blende}}\le \mathrm{\lambda }*\text{f}*{\text{f}}_{\text{max Kamera}}\text{ bzw}{\text{. b}}_{\text{max Blende}}\le \mathrm{\lambda }*\text{f}*\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.{\text{ b}}_{\text{Pixel}}$$

  
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Messanordnung umfasst die Blende eine Kreisapertur mit einem Durchmesser d. Der maximale Durchmesser d ist bevorzugt kleiner oder gleich dem Produkt aus 1,22-fachem der Wellenlänge λ des Lichtstrahls, Brennweite f_Objektiv des Kameraobjektivs und maximaler örtlicher Abtastfrequenz des Kamerachips f_{max Kamera}.
• Es gilt also bevorzugt für den maximalen Kreisdurchmesser der Blende: $${\text{d}}_{\text{max}\text{}\text{ Blende}}\le \mathrm{1,22}*\mathrm{\lambda }*\text{f}*{\text{f}}_{\text{max Kamera}}\text{ bzw}{\text{. d}}_{\text{max Blende}}\le \mathrm{1,22}*\mathrm{\lambda }*\text{f}*\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.{\text{ b}}_{\text{Pixel}}$$

  
• In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung hat die Blende der Messanordnung eine Apertur, die einen Polarisationsfilter umfasst und so nur Licht oder Lichtanteile des Lichtstrahls mit einer bestimmten Polarisation durchlässt. Ebenfalls bevorzugt ist eine Blende mit zwei, bevorzugt orthogonal zueinander ausgerichteten Aperturen oder Spalten, die jeweils einen Polarisationsfilter aufweisen.
• In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung hat die Blende der Messanordnung eine Apertur, die einen Frequenzfilter aufweist, sodass nur bestimmte Wellenlängen die Blende passieren können.
• Bevorzugt kann die Messanordnung mehrere Blenden aufweisen, die unterschiedlich ausgebildet sind und beispielsweise eine Kombination der oben beschriebenen Blenden sind.
• Die Messanordnung kann bevorzugt neben der Spiegelanordnung mit zwei Spiegeln auch weitere Spiegel umfassen. Beispielsweise könnte eine Spiegelanordnung zwei Teilspiegel und einen Vollspiegel umfassen.
• Die Kamera der Messanordnung kann bevorzugt eine CCD-Kamera, eine Polarisationskamera oder eine Farbkamera sein. Andere Kameratypen sind denkbar.
• Eine bevorzugte Ausgestaltung der Messanordnung sieht vor, dass die Blende als Gitterblende ausgebildet ist. Besonders bevorzugt weist die Gitterblende in zwei Dimensionen bestimmte Spaltbreiten der Aperturen auf, wobei die Spaltbreiten besonders bevorzugt die gleichen Abmessungen aufweisen. Selbstverständlich können die Spaltbreiten in unterschiedlichen Dimensionen auch verschieden sein.
• Eine andere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Teilspiegel polarisierend ausgeführt ist, sodass ein erster Teilstrahl reflektiert und ein orthogonal polarisierter zweiter Teilstrahl transmittiert wird. Der zweite Teilstrahl wird dann an dem Vollspiegel reflektiert, bevor er zur Kamera gelangt. Hierbei wird der Teilspiegel erneut passiert. Da das vom Vollspiegel reflektierte Licht die „richtige“ Polarisation aufweist, kann es den Spiegel ungehindert passieren. Ein polarisierender Teilspiegel kann beispielsweise verwendet werden, um gelegentlich auftretende Mehrfachreflexionen zwischen den beiden Spiegeln zu verhindern.
• Bei der Verwendung eines polarisierten Teilspiegels ist zwischen der Spiegelanordnung und der Kamera bevorzugt ein Depolarisationselement angeordnet. Das Depolarisationselement sorgt dafür, dass die beiden polarisierten Teilstrahlen von der Doppelspiegel-Anordnung wieder unpolarisiert werden, d. h. die Polarisation wird aufgehoben, sodass die Teilstrahlen miteinander interferenzfähig sind.
• Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Messanordnung weist einen Teilspiegel auf, der einen Reflexionsgrad hat, der von dem Transmissionsgrad verschieden ist. Besonders bevorzugt ist der Transmissionsgrad größer als der Reflexionsgrad. Prinzipiell können Reflexionsgrad und Transmissionsgrad zwischen 1 % und 99 % variieren, wobei in der Praxis bevorzugt ein Reflexionsgrad von 40 % und ein Transmissionsgrad von 60 % (jeweils ± 10 %) als geeignet angesehen wird. Möglich ist auch, dass Reflexionsgrad und Transmissionsgrad gleichgroß sind.
• In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Messanordnung eine Auswerteeinheit auf, die von der Kamera erzeugte Messsignale empfängt und verarbeitet. Auf diese Weise wird aus den Messsignalen der interferierenden Teilstrahlen eine Messgröße ermittelt, die für die Oberfläche des zu vermessenden Gegenstands charakteristisch ist. Auf diese Weise kann eine Aussage über Eigenschaften der Oberfläche getroffen werden.
• In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung kann die Messanordnung ein Gehäuse mit einer Öffnung zum Durchlassen des Lichtstrahls umfassen. Das Gehäuse beherbergt bevorzugt die Elemente der Messanordnung, insbesondere Blende, Spiegelanordnung, Kameraobjektiv und Kamera. Bevorzugt ist in diesem Fall die Blende hinter der Öffnung angeordnet. Das Kameraobjektiv kann bevorzugt zwischen Blende und Öffnung, in der Öffnung oder vor der Öffnung angeordnet sein.
• Mittels der beschriebenen Messanordnung und/oder des Systems, das bevorzugt auch eine Auswerteeinheit umfasst, lassen sich eine Vielzahl von Messungen durchführen, um auf Eigenschaften eines Gegenstands und dessen Oberfläche schließen zu können. Derartige Messungen umfassen beispielsweise eine Rauheitsmessung, eine Ebenheitsmessung, eine Oberflächenformgradientenmessung sowie relative Messungen wie z.B. relative Dickenmessung, relative Steigungsmessung und relative Dehnungsmessung. Möglich sind auch Verformungsmessungen bei einer vorbestimmten Anregung. Damit lassen sich u. a. Aussagen über Fehlstellen wie Risse, Inhomogenitäten, Delaminationen, Fremdmaterialeinschlüsse und Gasblasen an oder unter der Oberfläche treffen. Solche Messungen stellen also eine zerstörungsfreie Prüfung dar. Eine andere Art einer möglichen Messung ist die Schwingungsformanalyse, z.B. unter schwingender Anregung. Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
• 1 eine erfindungsgemäße Messanordnung mit Blende und Spiegelanordnung;
• 2 ein Messsystem zum Vermessen der Oberfläche eines Gegenstands umfassend eine Messanordnung, eine Lichtquelle und eine Auswerte- und Steuereinheit.
• Eine erfindungsgemäße Messanordnung 10 umfasst eine Blende 20 mit Apertur 21, eine Spiegelanordnung 30 mit zwei Spiegeln 32, eine Kamera 40 und ein Kameraobjektiv 42.
• Ein Spiegel 32 der Spiegelanordnung 30 ist als teildurchlässiger Teilspiegel 34 ausgebildet, während der zweite Spiegel 32 ein Vollspiegel 36 ist. Der Vollspiegel 36 ist in Strahlungsrichtung (Pfeil) S des einfallenden Lichtstrahls 100 hinter dem Teilspiegel 34 angeordnet. In der hier gezeigten Ausführungsform ist der Teilspiegel 34 gegenüber dem Vollspiegel 36 um einen Winkel β verdreht, sodass die beiden Spiegel 32 nicht mehr parallel angeordnet sind. Die beiden Spiegel 32 sind voneinander beabstandet und weisen einen Abstand x auf. Der Abstand x ist die Distanz zwischen den Spiegeloberflächen 38 der Spiegel 32, wenn die beiden Spiegel 32 parallel zueinander angeordnet sind.
• Trifft ein Lichtstrahl 100 auf die Messanordnung 10, so passiert er zunächst die Blende 20 und wird von da direkt auf die Spiegelanordnung 30 gelenkt. Dies geschieht bevorzugt ohne Zwischenschalten weiterer optischer Elemente. Der Lichtstrahl 100 trifft auf die Spiegeloberfläche 38 des Teilspiegels 34 und wird dort teilweise reflektiert in einen ersten Teilstrahl 110, der in Richtung Kamera abgelenkt wird. Der Teilstrahl 110 gelangt durch das Kameraobjektiv 42 zur Kamera 40 und trifft dort auf einen hier nicht dargestellten Kamerachip.
• Ein Teil des Lichtstrahls 100 wird durch den Teilspiegel 34 transmittiert und trifft dann auf die Spiegeloberfläche 38 des Vollspiegels 36. Dieser Teil des Lichtstrahls 100 wird nun reflektiert und gelangt als zweiter Teilstrahl 120 zur Kamera 40. Die beiden Teilstrahlen 110 und 120 interferieren in der Kamera 40 miteinander, wobei die beiden Teilstrahlen nicht parallel zueinander auf die Kamera 40 treffen. Hierbei wird die notwendige Trägerfrequenz für das räumliche Phasenschieben durch den Abstand x der beiden Spiegel 32 zueinander erzeugt. Dies führt zu einer Verschiebung lateral zur Strahlrichtung. Durch das Verdrehen eines der Spiegel 32 und durch den Abstand zwischen den beiden Spiegeln wird auch gleichzeitig der Shearwinkel der beiden Spiegelebenen zueinander verändert. Die Einstellung für eine Messung kann somit sehr empfindlich vorgenommen werden und ist variabel oder in kleinen Schritten möglich. Eine Feinjustage der Anordnung lässt sich einfach vollziehen.
• Die Messanordnung gemäß 1 sieht vor, dass der Teilspiegel 34 gegenüber dem Vollspiegel 36 verdreht ist. Der auf den Vollspiegel 36 eintreffende Lichtstrahl 100 wird in der hier gezeigten Ausführungsform um einen Winkel α am Vollspiegel 36 reflektiert und gelangt als zweiter Teilstrahl 120 zur Kamera 40. Der Winkel α ist in dem hier gezeigten Beispiel gleich oder nahezu gleich 90°.
• Alternativ und besonders bevorzugt ist der Teilspiegel 34 feststehend und der Vollspiegel 36 verdrehbar, sodass der Winkel α zwischen dem auf den Teilspiegel 34 auftreffenden Lichtstrahl 100 und dem reflektierten ersten Teilstrahl 110 durch geeignete Anordnung des Teilspiegels 34 im Bereich zwischen 70 und 110° liegt, bevorzugt 90° ± 2° aufweist.
• 2 zeigt ein Messsystem 12 mit der Messanordnung 10 aus 1, einem Gehäuse 14 für die Messanordnung 10, eine als Laser 16 ausgebildete Lichtquelle sowie eine Steuer- und Auswerteeinheit 18, die zum einen den Laser 16 steuern und regeln kann und zum anderen Messsignale der Kamera 40 empfängt und zu charakteristischen Messgrößen für die Oberfläche des zu vermessenden Gegenstands 22 verarbeitet.
• Ein von dem Laser 16 erzeugter Lichtstrahl wird auf eine Oberfläche 24 des zu vermessenden Gegenstands gelenkt und hier in Richtung Messanordnung reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl 100 tritt durch eine Öffnung 15 in das Gehäuse 14 ein und passiert zunächst die Blende 20 der Messanordnung 10, bevor der Lichtstrahl 100 auf die Spiegelanordnung 30 trifft. Hier wird der Lichtstrahl 100 in der oben beschriebenen Weise in einen ersten Teilstrahl 110 und einen zweiten Teilstrahl 120 aufgeteilt, wobei beide Teilstrahlen nicht parallel zueinander auf die Kamera 40 treffen und dort miteinander interferieren. Durch das Verdrehen der beiden Spiegel 32 zueinander und durch den Versatz, der durch den Abstand x der beiden Spiegel 32 hervorgerufen wird, wird der notwendige „Shear“ erzeugt, der für die shearografische Auswertung notwendig ist.
• Die vorliegende Messanordnung hat also den Vorteil, dass sie sehr günstig und einfach aufgebaut ist. Außer der Kamera 40 mit dem Kameraobjektiv 42 ist lediglich eine Blende und eine Doppelspiegelanordnung mit einem teildurchlässigen Teilspiegel 34, beispielsweise einem halbdurchlässigen Halbspiegel, und einem Vollspiegel 36 notwendig. Da einer der Spiegel 32, beispielsweise, wie hier gezeigt, der Teilspiegel 34, um einen Winkel β gegenüber dem Vollspiegel 36 verkippt ist, wird ein Shear erzeugt, der für die Shearografie notwendig ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist also der Teilspiegel aus der „45°-Position“ herausgedreht, in der sich der Vollspiegel 36 befindet. Die beiden reflektierten Anteile (erster Teilstrahl 110 und zweiter Teilstrahl 120 des Teilspiegels 34 bzw. Vollspiegels 36) werden auf ihrem Weg zur Kamera, jedoch spätestens in der Kamera zusammengeführt, sodass es zu der gewünschten Interferenz kommt. Das entstehende Interferenzmuster wird in der Kamera abgebildet, sodass eine shearografische Messung durchführbar ist. Durch den lateralen Versatz (Abstand x) der beiden Spiegel zueinander entsteht aus Sicht der Kamera ein virtueller Doppelspalt. Hierdurch enthält die Überlagerung der beiden Lichtanteile (erster Teilstrahl, zweiter Teilstrahl) eine zusätzliche Trägerfrequenz, die für das räumliche Phasenschieben genutzt wird.
• Da nur wenige Bauteile verwendet werden, ist ein sehr kleiner und kompakter Aufbau möglich. Die Messanordnung insgesamt ist sehr robust und darüber hinaus auch mobil und lässt sich an vielen verschiedenen Orten einfach einsetzen.
• In 2 ist ein optionaler Filter 44 gezeigt, der im Strahlengang vor der Blende 20 angeordnet ist. Der Filter 44 ist ein optischer Filter und kann beispielsweise ein Farbfilter oder Polarisationsfilter sein. Er kann auch optional zwischen Blende 20 und Spiegelanordnung 30 oder zwischen Spiegelanordnung 30 und Kamera 40 positioniert sein. Allerdings darf zwischen Blende und Spiegelanordnung kein Bauteil vorhanden sein, das das Messlicht beugt, teilt oder reflektiert. Messlicht ist dabei das vom Messobjekt reflektierte Laserlicht, welches in der Kamera interferometrisch überlagert.
• Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
• In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann.
• Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
• Bezugszeichenliste

10

Messanordnung

12

Messsystem

14

Gehäuse

15

Öffnung

16

Laser

18

Steuer- und Auswerteeinheit

20

Blende

21

Apertur

22

Gegenstand

24

Oberfläche

30

Spiegelanordnung

32

Spiegel

34

Teilspiegel

36

Vollspiegel

38

Spiegeloberfläche

40

Kamera

42

Kameraobjektiv

44

Filter

100

Lichtstrahl

110

erster Teilstrahl

120

zweiter Teilstrahl

S

Strahlungsrichtung des Lichtstrahls

x

Abstand

Claims (15)

1. Messanordnung zum zerstörungsfreien Messen der Oberfläche eines Gegenstands (22) mittels interferometrischer Messverfahren, wobei Licht als ein von der Oberfläche (24) reflektierter Lichtstrahl (100) auf die Messanordnung (10) trifft, umfassend eine Blende (20) mit Apertur (21); eine Spiegelanordnung (30) mit zwei Spiegeln (32) mit je einer Spiegeloberfläche (38), wovon einer ein teildurchlässiger Teilspiegel (34) und einer ein Vollspiegel (36) ist, der in Strahlungsrichtung (S) hinter dem teildurchlässigen Teilspiegel (34) angeordnet ist; ein Kameraobjektiv (42) und eine Kamera (40); wobei der eintreffende Lichtstrahl die Blende (20) passiert und dabei gebeugt wird, bevor er auf die Spiegelanordnung (30) trifft und in dieser in zwei Teilstrahlen (110, 120) aufgespalten und abgelenkt wird, die anschließend zur Kamera (40) gelangen und in der Kamera (40) interferieren; wobei der Lichtstrahl (100) in Strahlrichtung (S) das Kameraobjektiv (42) vor der Kamera (40) passiert; und wobei einer der Spiegel (32) der Spiegelanordnung (30) derart rotierbar zu dem anderen Spiegel (32) ist, dass die beiden Spiegel (32) einen von Null verschiedenen Winkel β in einer Ebene normal zu den Spiegeloberflächen (38) einschließen; und wobei die Kamera (40) einen Kamerachip mit einer örtlichen Abtastfrequenz umfasst und die Blende (20) derart ausgebildet ist, dass der eintreffende Lichtstrahl (100) beim Durchtritt durch die Blende (20) derart gebeugt wird, dass seine Raumfrequenz f_{_Licht} bei der Erfassung auf dem Kamerachip höchstens der maximalen örtlichen Abtastfrequenz des Kamerachips f_{_max_Kamera} entspricht.
2. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Spiegel (32) der Spiegelanordnung (30) derart ausgerichtet ist, dass der auf die Spiegelanordnung (30) auftreffende Lichtstrahl (100) um einen Winkel α in Richtung Kamera (40) reflektiert wird und auf die Kamera (40) trifft, wobei der Winkel α bevorzugt mindestens 70°, sehr bevorzugt mindestens 80°, besonders bevorzugt 90° beträgt und bevorzugt höchstens 110°, besonders bevorzugt höchstens 100° beträgt.
3. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spiegeloberflächen (38) der Spiegel (32) der Spiegelanordnung (30) einen Abstand x zueinander aufweisen, wobei der Abstand x die Distanz der zum eintreffenden Lichtstrahl (100) gerichteten Spiegeloberflächen (38) der beiden Spiegel (32) orthogonal zur Spiegeloberfläche (38) ist und bevorzugt der Abstand x größer oder gleich 70% der Breite der Apertur (21) der Blende (20) und kleiner dem Siebenfachen der Apertur (21) der Blende ist (20).
4. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel β in einem Bereich zwischen 0,001° und 20° liegt, bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,01 ° und 10°, weiter bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,1° und 5°, weiter bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,2° und 1°, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,5° und 1°.
5. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vollspiegel (36) der Spiegelanordnung (30) rotierbar gegenüber dem Teilspiegel (34) ist.
6. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kameraobjektiv (42) in Strahlrichtung (S) vor der Blende (20) oder zwischen Spiegelanordnung (30) und Kamera (40) angeordnet ist.
7. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (20) einen Spalt mit einer Spaltbreite b umfasst, wobei die maximale Spaltbreite b kleiner oder gleich dem Produkt aus Wellenlänge λ des Lichtstrahls, Brennweite f_Objektiv des Kameraobjektivs und maximaler örtlicher Abtastfrequenz des Kamerachips f _{_max_Kamera} ist.
8. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (20) eine Kreisapertur mit einem Durchmesser d hat, wobei der maximale Durchmesser d kleiner oder gleich dem Produkt aus 1,22-fachem der Wellenlänge λ des Lichtstrahls, Brennweite f_Objektiv des Kameraobjektivs und maximaler örtlicher Abtastfrequenz des Kamerachips f_{_max_Kamera} ist.
9. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (20) eine Gitterblende ist oder die Blende (20) einen Polarisationsfilter oder einen Frequenzfilter umfasst.
10. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilspiegel (34) polarisierend ausgeführt ist, so dass ein erster Teilstrahl (110) reflektiert und ein orthogonal polarisierter zweiter Teilstrahl (120) transmittiert wird, wobei der zweite Teilstrahl (120) an dem Vollspiegel (36) reflektiert wird, bevor er zur Kamera (40) gelangt.
11. Messanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Spiegelanordnung (30) und der Kamera (40) ein Depolarisationselement angeordnet ist, um die zwei orthogonal polarisierten Teilstrahlen (110, 120) des Lichts für die Kamera (40) interferenzfähig zu machen.
12. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilspiegel (34) einen Reflexionsgrad hat, der von dem Transmissionsgrad verschieden ist, wobei bevorzugt der Transmissionsgrad größer ist als der Reflexionsgrad.
13. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und Auswerteeinheit (18) von der Kamera (40) erzeugte Messsignale empfängt und verarbeitet, so dass aus den Messsignalen der interferierenden Teilstrahlen (110, 120) eine für die Oberfläche (24) des zu vermessenden Gegenstands (22) charakteristische Messgröße ermittelt wird, die eine Aussage über Eigenschaften der Oberfläche (24) erlaubt.
14. Messsystem mit einer Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer Auswerteeinheit (18), die von der Kamera (40) erzeugte Messsignale empfängt und verarbeitet, so dass aus den Messsignalen der interferierenden Teilstrahlen (110, 120) eine für die Oberfläche (24) des zu vermessenden Gegenstands (22) charakteristische Messgröße ermittelt wird, die eine Aussage über Eigenschaften der Oberfläche (24) erlaubt.
15. Verfahren zum zerstörungsfreien Messen der Oberfläche (24) eines Gegenstands (22) mittels interferometrischer Messverfahren und zur Bestimmung einer Eigenschaft der Oberfläche (24) eines Gegenstands (22), umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen einer Messanordnung (10) mit einer Blende (20), einer hinter der Blende (20) angeordneten Spiegelanordnung (30) mit zwei Spiegeln (32) mit je einer Spiegeloberfläche (38), wovon einer ein teildurchlässiger Teilspiegel (34) und einer ein Vollspiegel (36) ist, der in Strahlungsrichtung (S) hinter dem teildurchlässigen Teilspiegel (34) angeordnet ist, einem Kameraobjektiv (42) und einer Kamera (40) mit einem Kamerachip mit einer örtlichen Abtastfrequenz; - Erzeugen eines Lichtstrahls und Bestrahlen der Oberfläche (24) des zu vermessenden Gegenstands (22); - Führen des von der Oberfläche (24) reflektierten Lichtstrahls (100) durch die Blende (20) und direkt auf die dahinter angeordnete Spiegelanordnung (30); - Einstellen eines gewünschten Winkels β zwischen dem Teilspiegel (34) und dem Vollspiegel (36) durch Drehen eines der Spiegel (32) derart, dass der Lichtstrahl (100) in zwei Teilstrahlen (110, 120) aufgeteilt wird, die beide zu der Kamera (40) gelenkt werden; - Aufnehmen der beiden Teilstrahlen (110, 120) mittels der Kamera (40) und Erzeugen eines Messsignals der interferometrischen Überlagerung; - Einstellen der Blende (20) derart, dass der eintreffende Lichtstrahl (100) beim Durchtritt durch die Blende (20) derart gebeugt wird, dass seine Raumfrequenz f_{_Licht} bei der Erfassung auf dem Kamerachip höchstens der maximalen örtlichen Abtastfrequenz des Kamerachips f _{_max_Kamera} entspricht; - Auswerten des Messsignals und Ermitteln einer für die Oberfläche (24) des zu vermessenden Gegenstands (22) charakteristischen Messgröße, die eine Aussage über Eigenschaften der Oberfläche (24) erlaubt.

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