DE10304317A1

DE10304317A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von qualitativen und quantitativen Objekt-Dehnungen mit einer neuartigen Shearkamera für die Interferometrische Speckle Shearografie

Info

Publication number: DE10304317A1
Application number: DE2003104317
Authority: DE
Inventors: Frank Voessing
Original assignee: Vossing Frank
Current assignee: Vossing Frank
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2004-08-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kombination von handelsüblichen S/W- oder Farb-Digitalkameras inklusiv Bildschirm mit einem neuartigen Shearobjektiv inklusiv einer kohärenten Strahlquelle zur Beleuchtung des Untersuchungsobjektes für die qualitative Dehnungsmessung aufgrund des Shearografie-Prinzips. Durch den Einsatz eines Shearelementes, wie z. B. ein Glaskeil, ein Biprisma usw., integriert in ein Kameraobjektiv und der Ankopplung einer Strahlquelle zur Objektbeleuchtung an das Kamera-Objektiv, können out-of-plane Shearogramme direkt mit einer Digitalkamera aufgenommen werden. Eine Phasenschiebevorrichtung kann optional ebenfalls integriert werden. Hierdurch wird der Einsatz der qualitativen und quantitativen shearografischen zerstörungsfreien Prüfung ohne ein sonst übliches spezielles größeres Messequipment bzw. Auswerterechner möglich. Die Darstellung der Shearogramme auf dem Bildschirm einer Digitalkamera wird softwaretechnisch in der Kamera direkt durch die digitale Subtraktion erzeugt und kann anschließend über die an der Kamera üblichen genormten Schnittstellen überspielt werden und mit Hilfe eines Laptops mit Bildverarbeitungssoftware für Präsentationen überarbeitet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung der Ansprüche 1 bis 9.
Stand der Technik:
Der Vorteil der shearografischen Verfahren (Speckle-Pattern-Shearing-Interferometrie, abgekürzt Shearografie,) i. a. liegt in der Einfachheit und der relativen Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse, z.B. mechanische Schwingungen der Messapparatur. Es lassen sich sowohl in-plane Dehnungen als auch out-of-plane Neigungen ermitteln. Shearografische Verfahren und die zu ihrem Verständnis notwendigen mathematischen Grundlagen sind dem Fachmann allgemein bekannt (Prof. Dr.-Ing. M. Schuth, Aufbau und Anwendung der Shearografie als praxisgerechtes, optisches Prüf- und Messverfahren zur Dehnungsanalyse, Qualitätssicherung und Bauteiloptimierung, VDI-Fortschrittbericht, Reihe 8, Nr. 539, 1995, M. Eng. Lianxiang Yang, Grundlagen und Anwendungen der Phasenschiebe-Shearografie zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, Dehnungsmessung und Schwingungsanalyse, VDI-Fortschrittbericht, Reihe 8, Nr. 682, 199).
Zur Vermeidung von Wiederholungen werden alle genannten Dokumente hiermit ausdrücklich zum Gegenstand der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gemacht.
Zur Beobachtung von Objektoberflächen für die Dehnungs- und Neigungsmessung (in-plane und out-of-plane) mittels der Speckle-Pattern-Shearing-Interferometrie, abgekürzt Shearografie, wird die zu untersuchende Objektoberfläche mit kohärentem Licht (Laserstrahl) beleuchtet. Das hierzu kohärente Licht wird in Bezug auf die Beleuchtungsrichtung zur Messung von out-of-plane Neigungen nahezu parallel bzw. identisch mit der optischen Achse in Einklang gebracht. Bei der zerstörungsfreien Bauteilanalyse und Qualitätssicherung, bei der die qualitative Messung ausreichend ist, sind höhere Ansprüche für die Anordnung der Beleuchtungen nicht notwendig.
Das vereinfachte prinzipielle Vorgehen zur Aufnahme eines sogenannten Shearogramms soll nun nachfolgend kurz beschrieben werden.
Nachdem das Objekt beobachtet und die erste Aufnahme durch eine Kamera im ersten Belastungszustand aufgenommen worden ist, wird das Objekt be- oder entlastet. Anschließend wird im zweiten Belastungszustand wieder eine Aufnahme mit der gleichen Kamera aufgenommen. Die zwei vorliegenden Bilder werden nun digital subtrahiert und verrechnet. Das dabei entstehende Bild stellt das Shearogramm dar und zeigt Linien gleicher Dehnungen (in-plane Messung) bzw. Neigungen (out-of-plane Messung).

Erfindung:

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dass mit Hilfe von einfachen Mitteln eine vollständige shearografische Apparatur zur Messung von qualitativen Dehnungen bzw. Neigungen zu erhalten, die eine kompakte und tragbare Variante zum Ziel hat. Die Notwendigkeit von sonst üblichen großen und teuren Messequipment für das shearografische Messprinzip ist nicht mehr notwendig. Aufgrund der meist ausreichenden qualitativen Analyse von Objekten ist eine sonst übliche Phasenbestimmung des Lichtes in der Regel nicht notwendig. Dadurch kann der sonst verwendete Michelson-Interferometer stark vereinfacht werden. Die für das Messverfahren notwendige Vershearung kann ebenfalls durch ein vereinfachtes Shearelement realisiert werden. Damit ergibt sich der Wegfall des vollständigen Michelson-Interferometers.

Durch die Anordnung eines Shearelementes vor einem handelsüblichen Objektivs und der Positionierung einer kohärenten Strahlquelle unterhalb des Objektivs kann nun ein „Shearobjektiv" relativ Kompakt mit C-Mount-Anschluss für jede Spiegelreflex-Digitalkamera mit Bildschirm hergestellt werden. Zur Darstellung des Shearogramms auf dem Bildschirm ist eine Programmierung der Kamerasoftware notwendig, die es erlaubt, die zwei unterschiedlichen Aufnahmen digital zu subtrahieren und anschließend das Ergebnis in einen weiteren Bildspeicher ablegt und auf dem Bildschirm der Kamera zeigt.

Durch die Verrechnung der einzelnen Aufnahmen direkt in der Kamera, können die Ergebnisse somit auch direkt angezeigt werden. Danach kann entschieden werden, die Aufnahmen zu wiederholen oder nicht. Durch eine Kameraschnittstelle sind die Bilder anschließend auf einem Laptop oder ähnlichem übertragbar und können nachbearbeitet werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 9.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert.
Es zeigt:
1 schematisch ein Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung bzw. Messung von out-of-plane Neigungen mit Hilfe einer handelsüblichen Digitalkamera mit Bildschirm und einem neuartigen „Shearobjektiv" als Ansicht von oben, wobei in dieser Ansicht die Beleuchtungseinrichtung (Laserdiode) nicht erkennbar ist.
2 schematisch ein Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung bzw. Messung von out-of-plane Neigungen mit Hilfe einer handelsüblichen Digitalkamera mit Bildschirm und einem neuartigen „Shearobjektiv" als Ansicht von der Seite, wobei in dieser Ansicht die Beleuchtungseinrichtung (Laserdiode) erkennbar ist.
3 schematisch ein Verfahren zur digitalen Berechnung des Shearogrammes in den Bildspeicher C infolge der zwei Aufnahmen im Bildspeicher A und B der Digitalkamera.
Das Verfahren und Vorrichtung nach 1 stellt eine Draufsicht (Ansicht von oben) und 2 eine Seitenansicht (Ansicht von der Seite) einer neuartigen Shearografiekamera (13), oder auch als Shearkamera bezeichnet, dar, das sich aus eine handelsüblichen Digitalkamera (1) mit einen Betrachtungsbildschirm (11) und dem neuartigen Shearobjektiv (12) zusammensetzt. Die Digitalkamera (1) sollte pragmatischer Weise eine Digitalkamera sein und einen C-Mount-Anschluss für das Objektiv haben. Das Shearobjektiv (12) ist aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt. Dabei stellt (2) ein Standard-Objektiv dar, dass verschiedenste Brennweiten und Zoombereiche haben kann. Aufgesetzt wird durch eine Fassung (3) ein Shearelement (4), vorzugsweise ein Biprisma, ein Glaskeil oder ähnliches. In der Fassung (3) kann ebenfalls zusätzlich eine Phasenschiebevorrichtung (soll hier nicht näher erläutert werden, da allseits technisch bekannt) optional integriert werden, damit auch quantitative Dehnungsmessungen möglich werden. An einer Strahlquellenhalterung (6), die an die Fassung (3) oder die Kamera (1) angekoppelt ist, wird die entsprechende kohärente Strahlquelle (5), wie z.B. eine Singlemode-Laserdiode mit einer Leistung von z.B. 50 mW, angekoppelt. Der notwendige Laserdiodentreiber (7), der mit einem Kabel mit der kohärenten Strahlquelle (5) verbunden ist, kann und wird mit Batterien in ausreichender Leistung gespeist, um über eine unabhängige Versorgung zu verfügen. Denkbar ist auch eine Netzspeisung des Laserdiodentreibers (7), wobei dann allerdings eine Unabhängigkeit nicht mehr gegeben ist.
Der Beleuchtungskegel (8) von der Strahlquelle (5) wird dabei von der Objektoberfläche (10) reflektiert und über das Beobachtungsfeld (9) registriert. Das Shearobjektiv (12) verarbeitet anschließend die Intensitäten des reflektierten Lichtstrahls nach dem bekannten shearografischen Prinzip.
Der eigentliche Messvorgang und deren nachfolgende Auswertung und Erzeugung des qualitativen Shearogrammes wird nachfolgend anhand des Verfahrens von 3 erklärt.
Nach der Positionierung der Shearkamera (13) und der Ausrichtung der Strahlquelle (5) wird durch das Beobachtungsfeld (9) eine Aufnahme des Objektes (10) durchgeführt und in den Bildspeicher A (14) elektronisch überführt. Das Objekt (10) kann dabei schon eine Vorbelastung haben, ist aber keine notwendige Bedingung. Deshalb wird hier allgemein von der ersten Belastungsstufe gesprochen. Nach der Belastung des Objektes (10), quasi der zweiten Belastungsstufe, wird wieder eine Aufnahme der Shearkamera (13) durchgeführt und in den Bildspeicher B (15) elektronisch überführt. Der eigentliche Messvorgang ist hiermit abgeschlossen, Anschließend werden die zwei Aufnahmen aus den Bildspeichern A und B (14 und 15) softwaretechnisch in der Digitalkamera (1) digital subtrahiert (16) und das Ergebnis auf dem Bildschirm (11) der Digitalkamera (1) dargestellt. Das nun erscheinende Shearogramm wird dann ebenfalls wieder in den Bildspeicher C (17) abgelegt und gespeichert. Mit Hilfe von genormten Kameraschnittstellen werden anschießend die Bildspeicher A bis C ausgelesen und auf einem Laptop oder ähnlichem gespeichert. Durch Bildbearbeitungssoftware können dann die einzelnen Aufnahmen für Präsentationen oder ähnlichem nachgearbeitet werden.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Messung von qualitativen und quantitativen Objekt-Dehnungen mit einer neuartigen Shearkamera für die interferometrische Speckle Shearografie dadurch gekennzeichnet, dass qualitative Dehnungen von Objekten durch eine handelsübliche Digitalkamera mit Bildschirm und Objektiv-Anschluss und einem neuartigen Shearobjektiv mit kohärenter Strahlquelle, vorzugsweise einer Laserdiode, gemessen werden können.
Verfahren und Vorrichtung zur Messung von qualitativen und quantitativen Objekt-Dehnungen mit einer neuartigen Shearkamera für die interferometrische Speckle Shearografie nach Anspruch 1 vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass das Shearobjektiv durch ein Standard-Objektiv mit verschiedenen möglichen Brennweiten und Zoomeinstellungen und einem Shearelement, dass durch eine Fassung montiert wird, ausgestattet wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Messung von qualitativen und quantitativen Objekt-Dehnungen mit einer neuartigen Shearkamera für die interferometrische Speckle Shearografie nach den vorangehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass das Shearelement aus einem Glaskeil, Biprisma oder ähnliches ausgeführt werden kann.
Verfahren und Vorrichtung zur Messung von qualitativen und quantitativen Objekt-Dehnungen mit einer neuartigen Shearkamera für die interferometrische Speckle Shearografie nach den vorangehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass in der Fassung zur Aufnahme des Shearelementes zusätzlich eine Phasenschiebevorrichtung integriert werden kann, womit dann auch quantitative Dehnungsmessungen möglich werden.
Verfahren und Vorrichtung zur Messung von qualitativen und quantitativen Objekt-Dehnungen mit einer neuartigen Shearkamera für die interferometrische Speckle Shearografie nach den vorangehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass am Shearobjektiv mit Hilfe einer Strahlquellenhalterung eine kohärente Strahlquelle, vorzugsweise eine Singlemode-Laserdiode, angebracht wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Messung von qualitativen und quantitativen Objekt-Dehnungen mit einer neuartigen Shearkamera für die interferometrische Speckle Shearografie nach den vorangehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlquellentreiber zur Steuerung der Lichtquelle durch Batterien betrieben werden, wodurch die Unabhängigkeit zu einem Netzanschluss gegeben ist.
Verfahren und Vorrichtung zur Messung von qualitativen und quantitativen Objekt-Dehnungen mit einer neuartigen Shearkamera für die interferometrische Speckle Shearografie nach den vorangehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass eine Berechnungsroutine in der Software einer handelsüblichen Digitalkamera implementiert wird und die notwendigen shearografischen Berechnungen durchführt.
Verfahren und Vorrichtung zur Messung von qualitativen und quantitativen Objekt-Dehnungen mit einer neuartigen Shearkamera für die interferometrische Speckle Shearografie nach den vorangehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass nachdem die einzelnen Aufnahmen entsprechend dem shearografischen Messprinzips in den Bildspeichern einer Digitalkamera gespeichert wurden durch eine softwaretechnische digitale Subtraktion zu einem Shearogramm berechnet werden und anschließend das Ergebnis wieder automatisch in einen weiteren Bildspeicher gespeichert und auf dem Bildschirm der Kamera zur Überprüfung angezeigt wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Messung von qualitativen und quantitativen Objekt-Dehnungen mit einer neuartigen Shearkamera für die interferometrische Speckle Shearografie nach den vorangehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass das in der Kamera gespeicherte Shearogramm über genormte Schnittstellen auf einen Personal-Computer überspielt und weiterverarbeitet werden kann.