DE19714157C1 - Faseroptisches Laser-Speckle-Interferometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein faseroptisches Laser-Speckle-Interferometer zur Erfassung von Oberflächenverformungen an Objekten, das über einen mit einer CCD-Kamera ausgerüsteten, an ein Bildverarbeitungssystem anschließbaren mobilen Meßkopf verfügt, der einen faseroptischen Strahlteiler enthält, der über eine Monomode-Lichtleitfaser von einer Laserstrahlenquelle zugeführtes Licht auf zwei Monomode-Lichtleitfasern aufteilt, die mit ihren Faserenden seitlich beabstandet von der CCD-Kamera an einer am Meßkopf vorgesehenen Halterung fixierbar sind, derart, daß das am Faserende austretende Licht jeweils unter einem spitzen Winkel zur optischen Achse der CCD-Kamera auf die Objektoberfläche fällt.

Es ist eine Vorrichtung zur simultanen speckleinterferometrischen Messung von in-plane- und out-of-plane-Verformungen von Objektoberflächen bekannt, die mit einer das Objekt flächenmäßig und senkrecht ausleuchtenden Strahlungsquelle ausgerüstet ist und bei der für jede Verformungsrichtung mindestens ein Detektor zur Aufnahme des zugehörigen Interferenzmusters vorgesehen ist (DE 40 39 972 A1).

Es ist ferner eine Vorrichtung zur Erfassung der Oberflächendeformation mittels Speckle- Interferometrie bekannt, bei der das Objekt mit Strahlen beleuchtet wird, die unterschiedliche Wellenlängen und/oder Polarisationszustände aufweisen, die jeweils einer Verformungsrichtung (x, y, z) zugeordnet werden, und bei der die reflektierte Streustrahlung sodann wieder nach Wellenlänge bzw. Polarisationszustand zerlegt und über getrennte Detektoren erfaßt wird (DE 41 02 881 A1).

Beide vorgenannten Vorrichtungen sind vergleichsweise aufwendig und erfordern nicht zuletzt aufgrund der dort eingesetzten Spiegelsysteme einen nicht unerheblichen Justageaufwand. Für die feldmäßige Erfassung von Oberflächenverformungen an Objekten außerhalb des Labors sind sie deshalb weniger geeignet.

Es ist aber auch ein faseroptisches Laser-Speckle-Interferometer für die digitale Specklemusterinterferometrie bekannt, das zur feldmäßigen Erfassung von Oberflächenverformungen an Objekten auch außerhalb des Labors geeignet ist (DD 293 893 A5). Dieses Interferometer verfügt über einen Meßkopf, der eine CCD-Kamera aufweist und dem von einem Laser über eine Monomode-Lichtleitfaser kohärentes Licht zugeführt wird. Der Meßkopf enthält ferner einen faseroptischen Strahlteiler, mit dessen Hilfe das Laserlicht zu gleichen Teilen auf zwei Monomode-Lichtleitfasern aufgeteilt und von diesen zur unmittelbaren Beleuchtung des Objektes weitergeleitet wird, indem die Faserenden der beiden Monomode-Lichtleitfasern jeweils unter einem spitzen Winkel zur optischen Achse der CCD-Kamera auf das Objekt gerichtet sind, wobei die eine der beiden Mo­ nomode-Lichtleitfasern in einer zum Meßkopf gehörenden Halterung fest angeordnet, die andere Monomode-Lichtleitfaser zur Ermittlung zweier verschiedener Verfor­ mungsrichtungen an der Halterung wahlweise in zwei unterschiedlichen Positionen befestigbar ist. Um Verformungen am Objekt senkrecht zur optischen Achse (in plane) der CCD-Kamera messen zu können, sind die Faserenden der Monomode-Lichtleitfa­ sern beidseitig der CCD-Kamera an der Halterung positioniert und zwar so, daß deren Lichtstrahlenbündel symmetrisch zur optischen Achse der CCD-Kamera auf das Ob­ jekt gerichtet sind. Im anderen Fall, d. h. zum Zwecke von Verformungsmessungen am Objekt in Richtung zur optischen Achse (out of plane) der CCD-Kamera, befinden sich die Faserenden beider Monomode-Lichtleitfasern hingegen in Bezug zur CCD-Kamera auf ein und derselben Seite der Halterung, wobei das Objekt dabei nahezu aus der gleichen Richtung beleuchtet wird.

Nachteilig ist hierbei, daß der Übergang von der einen in die andere Sensitivitätsrich­ tung beim Messen jeweils mit einem manuellen Eingriff in die faseroptische Anord­ nung einhergeht. Die begrenzte interferometrische Empfindlichkeit der Anordnung bei out-of-plane Messungen stellt einen weiteren Nachteil dar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein faseroptisches Laser-Speckle-In­ terferometer der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sowohl in­ plane als auch out-of-plane Messungen am Objekt mit einer vergleichsweise großen Sensitivität möglich sind, wobei gleichzeitig aufwendige Umrüstungen bzw. Eingriffe in die faseroptische Anordnung entbehrlich sein sollen. Darüber hinaus soll das Inter­ ferometer für den Betrieb außerhalb des Labors geeignet sein, d. h. möglichst robust aufgebaut sein und sich durch einen minimalen Wartungs- und Justageaufwand auszeichnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein am CCD-Kameraobjek­ tiv befestigbarer Zusatzmodul vorgesehen ist, der über einen im Beobachtungsstrah­ lengang angeordneten Strahlteiler und eine parallel zur optischen Achse der CCD-Ka­ mera ausgerichtete Diffusorplatte verfügt, und daß am Meßkopf ein Stellelement vorgesehen ist, mit dem das Faserende einer der Monomode-Lichtleitfasern unter Bei­ behaltung der Position des Quellpunktes so orientierbar ist, daß das dort austretende Lichtbündel auf die Diffusorplatte trifft und als hindurchtretendes Streulicht mittels Strahlteilers in den Beobachtungsstrahlengang einkoppelbar ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zuge­ hörigen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 Komponenten des einen mobilen Meßkopf aufweisenden faseroptischen Laser-Speckle-Interferometers,

Fig. 2 den Meßkopf in drei Ansichten,

Fig. 3 den Meßkopf mit Beleuchtungsstrahlengang für in-plane Messungen am Objekt,

Fig. 4 den Meßkopf mit Zusatzmodul und Beleuchtungsstrahlengang für out­ of-plane Messungen am Objekt und

Fig. 5 den Zusatzmodul im einzelnen.

Gemäß Fig. 1 verfügt das Laser-Speckle-Interferometer über einen Meßkopf 1, der über eine Monomode-Lichtleitfaser 2 mit einer Laserstrahlenquelle 3 und über ein Ka­ bel 4 mit einem digitalen Bildverarbeitungssystem 5 verbunden ist.

6 bezeichnet ein Objekt, dessen Oberflächenverformung mit Hilfe der Specklemuster­ interferometrie untersucht werden soll. Das zu untersuchende Objekt 6 und der Meß­ kopf 1 können durch Befestigungsmittel 7, wie Stützen, Winkel, Schienen oder der­ gleichen fest miteinander verbunden sein. Es ist aber auch möglich, Meßkopf 1 und Objekt 6 auf einer gemeinsamen festen Unterlage zueinander zu positionieren.

Der Meßkopf 1 umfaßt eine CCD-Kamera 8 mit Objektiv 9, die auf einem Kameraträ­ ger 10 montiert ist, sowie einen faseroptischen Strahlteiler 11 und zwei vom Strahl­ teiler 11 wegführende Monomode-Lichtleitfasern 12 und 13, die von einem mit dem Kameraträger 10 fest verbundenen trägerförmigen Bauteil 14 aufgenommen sind, das sich quer zur optischen Achse 15 der CCD-Kamera 8 erstreckt (Fig. 2). Die Mono­ mode-Lichtleitfasern 12 und 13 sind im Bauteil 14 so geführt bzw. angeordnet, daß ihre Faserenden 16 bzw. 17 jeweils den gleichen seitlichen Abstand zur optischen Achse 15 aufweisen. 18 und 19 bezeichnen Feststellschrauben, mit deren Hilfe die Faserenden 16 und 17 der Monomode-Lichtleitfasern 12 und 13 am Bauteil 14 und damit die Richtung der dort austretenden Lichtbündel fixierbar sind.

Des weiteren ist am Bauteil 14 im Bereich des Faserendes 16 ein Stellelement 20 vorgesehen, mit dem unter Beibehaltung der Position des Quellpunktes die Orientie­ rung dieses Faserendes 16 und damit der Winkel des dort austretenden Lichtbündels in Bezug zur optischen Achse 15 der CCD-Kamera 8 veränderbar ist. Der Meßkopf 1 verfügt ferner über einen im Beobachtungsstrahlengang der CCD-Kamera 8 plazierba­ ren und mit Hilfe einer Feststellschraube 21 am Kameraobjektiv 9 fixierbaren Zusatz­ modul 22. Der Zusatzmodul 22 weist einen im Beobachtungsstrahlengang angeordne­ ten Strahlteiler 23 sowie eine bezüglich der optischen Achse 15 parallel ausgerichtete Diffusorplatte 24 auf (Fig. 5). Als Diffusorplatte kann eine dünne Keramikplatte die­ nen. Im gewählten Beispiel beträgt die Dicke der Keramikplatte 0,3 mm.

Das vorstehend beschriebene Interferometer funktioniert wie folgt:
Der gegenüber dem zu untersuchenden Objekt 6 positionierte Meßkopf 1 wird über die Monomode-Lichtleitfaser 2 von der Laserstrahlenquelle 3 mit kohärentem Licht versorgt. Dieses Licht wird sodann mittels faseroptischen Strahlteilers 11 auf die bei­ den Monomode-Lichtleitfasern 12 und 13 aufgeteilt, wo es an den Faserenden 16 bzw. 17 austritt.

Zur Ermittlung von Oberflächenverformungen am Objekt 6 senkrecht zur optischen Achse 15 (in plane) sind die Faserenden 16 und 17 so orientiert und mittels der Fest­ stellschrauben 18 und 19 fixiert, daß die an den Faserenden 16 und 17 austretenden Lichtbündel 25 und 26 symmetrisch und in einem spitzen Winkel zur optischen Achse 15 auf die Oberfläche des Objektes 6 gerichtet sind (Fig. 3). Die spitzen Winkel lie­ gen dabei vorzugsweise in einem Bereich zwischen 30° und 60°. Die von der CCD-Ka­ mera 8 aufgezeichneten Specklemuster werden über das Kabel 4 zum digitalen Bildverarbeitungssystem 5 übertragen.

Um Oberflächenverformungen am Objekt 6 in Richtung zur optischen Achse 15 (out of plane) zu ermitteln, wird nach dem Lösen der Feststellschraube 18 mit Hilfe des Stellelementes 20 unter Beibehaltung der Position des Quellpunktes das Faserende 16 so orientiert, daß das dort austretende Lichtbündel 26' auf die Diffusorplatte 24 des am Kameraobjektiv 9 fixierten Zusatzmoduls 22 trifft und als hindurchtretendes Streulicht mittels Strahlteilers 23 in den Beobachtungsstrahlengang, d. h. in Richtung Kameraobjektiv 9 als ein Referenz-Specklefeld eingekoppelt und der von der Objekt­ oberfläche kommenden und durch den Strahlteiler 23 hindurchtretenden Objektwelle überlagert (Fig. 4) wird. Die Orientierung des Faserendes 17 und damit die Richtung des dort austretenden der Beleuchtung des Objektes 6 dienenden Lichtbündels 25 bleibt dabei unverändert.

Die beiden Orientierungen des Faserendes 16 für die in- und out-of-plane-Messungen können vom Benutzer des Interferometers nach Augenschein eingestellt werden, d. h. besondere Genauigkeitsanforderungen sind nicht erforderlich.

Das vorstehend beschriebene Interferometer ermöglicht die feldmäßige Erfassung von Oberflächenverformungen sowohl in plane als auch out of plane mit einer vergleichs­ weise großen Sensitivität, wobei die Umrüstung zwischen den Messungen in den bei­ den Sensitivitätsrichtungen denkbar einfach ist.

Das Interferometer zeichnet sich zudem durch eine große Robustheit sowie einen vergleichsweise geringen Justage- und Wartungsaufwand aus. So läuft das Licht bis zu den Quellpunkten an den Faserenden 16 und 17 hermetisch abgeschlossen im Fa­ sersystem. Verschmutzungen können in diesem Bereich nicht auftreten, so daß Reini­ gungsarbeiten entfallen.

Claims (2)

1. Faseroptisches Laser-Speckle-Interferometer zur Erfassung von Oberflächen­ verformungen an Objekten, das über einen mit einer CCD-Kamera ausgerüste­ ten, an ein Bildverarbeitungssystem anschließbaren mobilen Meßkopf verfügt, der einen faseroptischen Strahlteiler enthält, der über eine Monomode- Lichtleit­ faser von einer Laserstrahlenquelle zugeführtes Licht auf zwei Monomode- Lichtleitfasern aufteilt, die mit ihren Faserenden seitlich beabstandet von der CCD-Kamera an einer am Meßkopf vorgesehenen Halterung fixierbar sind, der­ art, daß das am Faserende austretende Licht jeweils unter einem spitzen Win­ kel zur optischen Achse der CCD-Kamera auf die Objektoberfläche fällt, dadurch gekennzeichnet,
daß ein am CCD-Kameraobjektiv (9) befestigbarer Zusatzmodul (22) vorgese­ hen ist, der über einen im Beobachtungsstrahlengang angeordneten Strahlteiler (23) und eine parallel zur optischen Achse (15) der CCD-Kamera (8) ausgerich­ tete Diffusorplatte (24) verfügt, und
daß am Meßkopf (1) ein Stellelement (20) vorgesehen ist, mit dem das Faser­ ende (16) einer der Monomode-Lichtleitfasern (12) unter Beibehaltung der Posi­ tion des Quellpunktes so orientierbar ist,
daß das dort austretende Lichtbündel (26') auf die Diffusorplatte (24) trifft und als hindurchtretendes Streulicht mittels Strahlteilers (23) in den Beobachtungs­ strahlengang einkoppelbar ist.

2. Faseroptisches Laser-Speckle-Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusorplatte (24) eine dünne Keramikplatte ist.