DE19841365A1 - Meßverfahren zur Aufnahme und Auswertung von Streifenbildern bewegter Oberflächen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßverfahren zur Aufnahme und Auswertung von Streifenbildern bewegter Oberflächen, wie sie mit Verfahren der Interferometrie oder Streifenprojektion erhalten werden. Eine Auswertung der sich zeitlich ändernden Streifenbilder mit einer punktweisen Amplitudenbestimmung wird dadurch geboten, dass Einzelaufnahmen zum Erstellen von Bildfolgen synchron zur Oberflächenbewegung ausgeführt werden und/oder zeitlich gemittelte Aufnahmen der Oberflächenbewegung für unterschiedliche Anregungsparameter ausgeführt werden und dass aus der Lage der Streifen in den Bildfolgen auf eine Verformung der Oberfläche oder eine zeitliche Änderung der Verformung geschlossen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßverfahren zur Aufnahme und Auswertung von Streifenbildern bewegter Oberflächen, wie sie mit Verfahren der Inter­ ferometrie oder Streifenprojektion erhalten werden.

Meßverfahren der "Holographischen Interferometrie", "Electronic Speckle Pattern Interferometrie (ESPI)" und "Streifenprojektion" werden vielfach ein­ gesetzt, um Verformungen von Oberflächen nachzuweisen. Die Verformungen sind hierbei in der Regel aus der Anzahl und Form der (Interferenz-)Streifen im Bild erkennbar. Die Lage dieser Streifen verschiebt sich mit der Änderung der Verformungen. Bei zeitlich sich ändernden Oberflächenformen verlagern sich die Streifen mit der entsprechenden Geschwindigkeit. Erstellt man unter diesen Voraussetzungen mit einer Kamera eine Aufnahme, so erhält man ein Bild, das über die Belichtungszeit integriert und dabei gemittelt wird.

Für den Fall harmonischer Schwingungen führt diese Mittelung bei Integra­ tionszeiten von einer vollen Schwingungsperiode oder einem Vielfachen hiervon zu einer amplitudenabhängigen Reduktion des Streifen- bzw. Interferenzkon­ trastes entsprechend einer Bessel-Funktion nullter Ordnung. Es sind ver­ schiedene Verfahren bekannt, um diese amplitudenabhängig-oszillierende Kon­ trastreduktion zu vermessen und bildhaft darzustellen. Dadurch ist es zwar möglich, zumindest bei einfachen Moden einen anschaulichen Eindruck von den Schwingungsformen der Oberfläche zu bekommen und insbesondere die Lage der Knotenlinien zu erkennen, eine exakte punktweise Vermessung der Schwin­ gungsamplitude ist jedoch aufgrund des oszillierenden Charakters der Bessel­ funktion nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren zu entwickeln, das eine quantitative Auswertung der sich zeitlich ändernden Streifenbilder mit dem Ziel der punktweisen Amplitudenbestimmung gestattet. Hierzu wurden zwei Va­ rianten entwickelt, die im Anspruch 1 angegeben sind.

Im ersten Verfahren wird eine spezielle stroboskopische Aufnahmetechnik ein­ gesetzt, die sich insbesondere für schwingende Objekte eignet. Während einer Schwingung muß die Belichtungszeit ausreichend kurz gehalten werden, um eine signifikante Verlagerung der Streifenbilder in dieser Zeitspanne zu un­ terbinden. Stroboskopische Verfahren, die auf einer Synchronisation der Be­ leuchtung basieren, sind an sich seit langem bekannt. Hierzu werden z. B. ge­ pulste Lichtquellen oder Lichtquellen mit vorgeschalteten optischen Komponen­ ten verwendet, deren Transmissionsgrad zeitlich variiert wird. Viele dieser Verfahren haben aber preisliche und/oder technische Nachteile. Verwendet man z. B. gepulste Laser, so muß die Strahlungsleistung ausreichend hoch sein, um eine ausreichende Belichtung zu garantieren. Diese Systeme sind meist teuer und aufgrund der Laserschutzbestimmungen nur bedingt einsetzbar. Der übliche Einsatz von Chopperrädern hat mehrere Nachteile, von denen nur der Platzbe­ darf und die Notwendigkeit einer mechanischen Entkopplung der Chopperbewe­ gung von der Objektschwingung genannt seien.

Auf dem Markt sind etliche Kameras erhältlich, die so kurze Belichtungszeiten gestatten, dass die Oberflächenbewegung während der Belichtungszeit vernach­ lässigbar ist. Wenn man keine sehr hohen Strahlungsleistungen verwenden kann, sind diese Belichtungszeiten aber nicht ausreichend, um ein kontrast­ reiches Bild zu erhalten. Man müßte deshalb nach der Belichtung das Bild in einen Bildspeicher auslesen, anschließend weitere Aufnahmen jeweils im selben Schwingungszustand aufnehmen und so viele dieser Bilder im Speicher aufsum­ mieren, bis ein ausreichender Kontrast vorhanden ist. Da das Auslesen der Bil­ der aber unzulässig lange dauern würde, ist dieses Verfahren in der Praxis nicht durchführbar.

Um das Auslesen der Teilbilder zu vermeiden, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 3 eine Kamera mit einem speziellen Aufnahmechip verwendet. Dieser Baustein läßt es zu, dass das zur Auslesung der Bildinfor­ mation gedachte Schieberegister des Aufnahmesensors als Zwischenspeicher der Bildinformation verwendet werden kann. Die Bildinformation, die in der nicht interessierenden Zeitspanne empfangen wird, kann - durch entsprechende elek­ tronische Beschaltung - in diesem Baustein unberücksichtigt bleiben. Im nächs­ ten interessierenden Zeitraum wird wieder eine Kurzzeitaufnahme ausgeführt und anschließend der vorangehenden Aufnahme im Schieberegister überlagert. Sind ausreichend viele Kurzzeitaufnahmen überlagert worden, so wird in nur einem Auslesezyklus das kontrastreiche Bild ausgelesen. Damit kann ein zeitauf­ wendiges Auslesen und Aufsummieren der Einzelbilder in einem getrennten Speicher entfallen.

Im zweiten Meßverfahren wird die Bildaufnahme mit Hilfe des elektronischen Verschlusses der Kamera über eine oder mehrere volle Schwingungsperioden durchgeführt. Mit Hilfe des bekannten Phasenschiebeverfahrens ist es dann möglich, für jeden Bildpunkt die Interferenz-Amplitude und -Phase (für die im Anspruch 2 genannten interferometrischen Verfahren) bzw. die Streifen-Ampli­ tude und -Phase (für die im Anspruch 2 genannten weiteren Verfahren) sowohl in Ruhe als auch im Mittel über eine volle Schwingung zu bestimmen. Für den Fall harmonischer Schwingungen ergibt die Mittelung mit wachsender Schwin­ gungsamplitude eine Abnahme der Interferenz-Amplitude gemäß einer Bessel­ funktion nullter Ordnung bei unveränderter Interferenzphase im positiven und bei Phasenumkehr im negativen Wertebereich der Besselfunktion. Ändert man die Amplitude der Anregung in bekannten Schritten, so kommt es unter der ge­ rechtfertigten Annahme eines linearen Antwortverhaltens an jedem Bildpunkt zu einer entsprechenden schrittweisen Änderung der lokalen Schwingungsamplitu­ de und damit zu einer Änderung der gemessenen zeitlich gemittelten Interfe­ renz-Amplituden und -Phasen gemäß der oben beschriebenen Besselfunktion. Durch Anpassung des Parameters der Besselfunktion an die gemessenen Ampli­ tuden- und Phasenwerte kann diejenige Funktion bestimmt werden, die die Ab­ folge der Meßpunkte am besten beschreibt. Der so bestimmte Parameter ist ein Maß für die relative Anregung der Oberfläche an dieser Stelle.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Meßanordnung,

Fig. 2a, 2b1 bis 2b3 verschiedene Darstellungen zu einem Bildauf­ nahmesensor und seiner Wirkungsweise,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Meßanordnung,

Fig. 4a, 4b zeitliche Verläufe zur Anregung der Oberfläche und Erzeugung von Summenbildern und

Fig. 5 eine Darstellung der gemessenen Phasenverschiebung in Abhän­ gigkeit der Anregungsfrequenz.

Fig. 1 zeigt einen typischen Aufbau für das Streifenprojektionsverfahren gemäß den Ansprüchen. Eine Lichtquelle 1 beleuchtet ein Gitter 2, das über ein ab­ bildendes Element 3 auf eine Objektoberfläche 5 abgebildet wird. Das Streifen­ bild auf der Oberfläche 5 wird durch ein abbildendes System 8 auf einem Auf­ nahmesensor 9 in Form eines Kamerachips abgebildet. Eine optische Achse 6 der Beleuchtungseinrichtung ist um einen Winkel 4 gegen eine optische Achse 7 einer Aufnahmegruppe geneigt. Von einer zentralen Steuereinheit 10 wird ein Frequenzgenerator 11 eingestellt.

Zu Beginn einer aus Einzelbildern gemittelten Aufnahme gemäß den Ansprüchen 3 bis 7 initialisiert die zentrale Steuereinheit 10 eine Ansteuerelektronik 12, die die benötigten Takt- und Steuersignale für den Aufnahmesensor 9 bereitstellt. Anschließend wird der Frequenzgenerator 11 gestartet. Über das Ausgangssig­ nal des Frequenzgenerators 11 wird ein Aktuator 13 betrieben, der die Ober­ fläche 5 mit der eingestellten Frequenz anregt. Synchron zur Anregung wird über die Ansteuerelektronik 12 die Bildaufnahme derart gesteuert, dass die eigentliche Bildinformation jeweils nur in einem sehr kleinen Zeitfenster ge­ wonnen wird. Um die Schwingung in verschiedenen Phasenzuständen zwischen Objektanregung und Bildaufnahme festhalten zu können, ist ein zusätzlicher Phasensteller 14 vorgesehen. Das im Aufnahmesensor 9 aufsummierte Bild wird anschließend in einen externen Bildspeicher 15 ausgelesen und ausgewertet.

Zur einfacheren und sichereren Bestimmung der Lage und der Verschiebung der Streifen im Bild werden vielfach mehrere Aufnahmen vom gleichen Verfor­ mungszustand aufgenommen und zwischen diesen Aufnahmen die Lage des Gitters 2 um einen festen Bruchteil der Gitterkonstanten verschoben (Phasen­ schiebeverfahren gemäß Anspruch 4). Hierzu dient die zusätzliche Stelleinheit 22, die ebenfalls über die Ansteuerelektronik 12 angesteuert wird.

Werden die von dem Gitter 2 projizierten Streifen nicht direkt sondern durch Überlagerung mit den Streifen eines weiteren ähnlichen Gitters aufgenommen, so liegt ein Moire-Streifenprojektionsverfahren vor, wie es beispielsweise in Anspruch 2 angegeben ist.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung für den Aufnahmesensor 9 gemäß Anspruch 3. In Sensorelementen 16 für die Bildaufnahme - den sogenannten Pixeln - wird wäh­ rend einer kurzen Zeitspanne die Bildaufnahme durchgeführt (Fig. 2b 1), indem Ladungsträger 17 gesammelt werden. Anschließend wird das so erzeugte La­ dungspaket 17 in ein Schieberegister 18 übertragen, indem der Potentialwall zwischen Pixel und Schieberegister durch das Anlegen einer entsprechenden Steuerspannung an eine Steuerelektrode 19 (über die Ansteuerelektronik 12) abgesenkt wird (Fig. 2b 2). Dann wird das Potential an der Steuerelektrode 19 wieder zurückgesetzt und das Potential an der zweiten Steuerelektrode 20 für die nächste Zeitperiode abgesenkt. Dadurch fließt die im Pixel generierte Ladung während dieser Zeitspanne über das Überlaufregister 21 ab (Fig. 2b 3). Für die nächste Teilaufnahme wird die Steuerelektrode 20 wieder zurückgesetzt, so dass der Zustand wieder Fig. 2b 1 entspricht.

Fig. 3 zeigt einen modifizierten Aufbau, wie er für das sogenannte ESPI-Ver­ fahren gemäß den Ansprüchen genutzt werden kann. Als Lichtquelle wird hier ein Laser 25 eingesetzt. Über einen teildurchlässigen Spiegel 26, einen Spiegel 27 und eine Aufweitungsoptik 28 wird der Laserstrahl so aufgeweitet, dass die Objektoberfläche 5 ausgeleuchtet wird. Strukturelemente der Oberfläche 5 re­ flektieren einen Teil dieser Strahlung. Ein Teil hiervon wird über das abbildende System 8 in Form eines Objektivs auf den Aufnahmesensor 9 abgebildet. Durch die Blende des abbildenden Systems 8 entstehen auf dem Aufnahmesensor 9 die sogenannten Speckle. Der zweite an dem teildurchlässigen Spiegel 26 er­ zeugte Teilstrahl wird über eine Phasenstelleinheit 29, einen weiteren Spiegel 30, eine Abbildungseinheit 31 und einen teilreflektierenden Spiegel 32 in das abbildende System 8 abgebildet und so dem Specklebild des ersten Teilstrahls überlagert. Die beiden Teilstrahlen erzeugen bei Einhaltung ungefähr gleicher optischer Weglängen 26-27-28-5-32 für den ersten Teilstrahl und 26-29- 30-31-32 für den zweiten Teilstrahl ein Interferenzbild auf dem Aufnahme­ sensor 9, bei dem die in jedem Sensorelement 16 gemessene Intensität durch die jeweilige Phasendifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen bestimmt ist.

Wird über den Aktuator 13 die Lage oder Form der Oberfläche verändert, so ändert sich damit die Phasendifferenz entsprechend. Die gemittelten Aufnahmen werden - wie in Fig. 2 erläutert - durch Summierung der Ladungspakete 17 im Schieberegister 18 des Aufnahmesensors 9 synchron zur Bewegung der Ober­ fläche 5 erzeugt. Durch die optische Phasenstelleinheit 29 kann zwischen die­ sen gemittelten Aufnahmen die Phase eines Teilstrahls um einen festen Bruch­ teil der Wellenlänge variiert werden. Der Speckle-Kontrast ändert sich ent­ sprechend. Dieses Verfahren entspricht der Verschiebung des Gitters 2 über die zusätzliche Stelleinheit 22 im ersten Beispiel. Die Analyse der Bilder erfolgt deshalb entsprechend.

Fig. 4a und 4b zeigen ein Beispiel, wie es in Anspruch 3 angegeben ist. Fig. 4a zeigt den zeitlichen Verlauf der Anregung der Oberfläche 5 durch den Aktuator 13. Eingezeichnet sind die fest gewählten Phasenlagen 35 bis 38, zu denen die jeweiligen Summenbilder aufgenommen werden. Das erste Summenbild wird in der Phasenlage 35 aufgenommen, das zweite in der Phasenlage 36 usw. In ei­ nem beliebigen Punkt führt die Oberfläche die gleiche Bewegung, aber mit un­ terschiedlicher Amplitude und Phasenverschiebung aus. Die Phasenverschie­ bung 39 und Amplitude 40 (Fig. 4b) kann aus den vier Summenbildern für jeden Bildpunkt berechnet werden.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel, wie es in Anspruch 6 genannt ist. Die Oberfläche 5 wird bei fester Anregungsamplitude über den Aktuator 13 (Fig. 1, 3) untersucht und die Phasenverschiebung 39 (Fig. 4) für jeden Punkt der Oberfläche be­ stimmt. Mit Änderung der Anregungsfrequenz ändert sich die gemessene Pha­ senverschiebung 39. Aus der Analyse dieses Verlaufs kann man auf die Reso­ nanzfrequenz schließen.

Anordnungen gemäß Fig. 1 und 3 entsprechen ebenfalls den Ansprüchen 7 und 8. Für die Bildaufnahme könnte allerdings auch eine konventionelle Kamera verwendet werden, die dem speziellen, in Fig. 2 erläuterten Auslese- und Zwischenspeicherungs-Verfahren nicht genügt. Filmgebundene Kameras wären auch denkbar, für eine schnelle Auswertung aber wenig sinnvoll. Der Unter­ schied zu dem oben beschriebenen Verfahren besteht darin, dass die Belichtung über einen längeren Zeitraum durchgeführt wird, so dass sich die Oberfläche in dieser Zeitspanne um einen deutlichen Betrag verlagert. Wählt man z. B. die Speckle-Anordnung nach Fig. 3 und für die Belichtungszeit genau die Zeitdauer einer Periode der Oberflächenanregung, so wird von der Kamera eine gemittelte Speckle-Interferenz-Amplitude detektiert. Mit zunehmender Schwingungsampli­ tude der Oberfläche nimmt diese Interferenz-Amplitude ab. Diese Abnahme als Funktion der Amplitude läßt sich mit einer Besselfunktion nullter Ordnung beschreiben. In der Regel sind die Auslenkungen an einigen Punkten bereits bekannt (Befestigungspunkte mit Auslenkung null, Anregungspunkte mit der eingeleiteten Anregungsamplitude). Aus dem Vergleich der gemessenen Inter­ ferenz-Amplitude über die Oberfläche mit der Besselfunktion läßt sich die jeweilige Auslenkung bestimmen.

Einfacher ist die Auswertung, wenn nacheinander für mehrere Anregungsampli­ tuden für jeden Oberflächenpunkt die Interferenz-Amplitude bestimmt wird. Be­ trachtet man die Interferenz-Amplitude in einem Oberflächenpunkt in Abhängig­ keit von der Anregungshöhe, so kann man den Verlauf der Besselfunktion direkt ablesen.

Claims (8)

1. Meßverfahren zur Aufnahme und Auswertung von Streifenbildern beweg­ ter Oberflächen, wie sie mit Verfahren der Interferometrie oder Strei­ fenprojektion erhalten werden, dadurch gekennzeichnet,
dass Einzelaufnahmen zum Erstellen von Bildfolgen synchron zur Ober­ flächenbewegung ausgeführt werden und/oder zeitlich gemittelte Aufnah­ men der Oberflächenbewegung für unterschiedliche Anregungsparameter ausgeführt werden und
dass aus der Lage der Streifen in den Bildfolgen auf eine Verformung der Oberfläche oder eine zeitliche Änderung der Verformung geschlossen wird.

2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen nach einem elektronischen Speckle-Muster-Interfero­ metrie-Verfahren, nach einem holographisch interferometrischen Verfah­ ren, nach einem Streifen-Projektionsverfahren oder nach einem Moirä- Verfahren erzeugt werden.

3. Meßverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberfläche mit einer festen Frequenz zum Schwingen oder einer sonstigen periodischen Bewegung angeregt wird und
daß die Einzelaufnahmen mit einer elektronischen Kamera in fester Phasenlage bezüglich der Anregung der Schwingung und mit derart kur­ zen Belichtungszeiten aufgenommen werden, dass sich in der Belich­ tungszeit die Lage der Streifen nahezu nicht ändert und die Einzel­ aufnahmen in einem Bildaufnahmebaustein der Kamera zu einem Sum­ menbild aufsummiert werden.

4. Meßverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere der Summenbäder mit verschiedener Phasenlage der inter­ ferierenden Wellen oder der aufprojizierten Streifen (Phasenschiebe- Verfahren) aufgenommen werden,
dass diese Bilder jeweils für Oberflächenbewegungen mit mindestens zwei unterschiedlichen Amplituden aufgenommen werden,
dass die Summenbilder miteinander verrechnet werden, und
dass die Änderung der Interferenz-Amplitude und/oder -Phase oder der Streifen-Amplitude oder -Phase aufgrund der Bewegungsänderung für je­ den Oberflächenpunkt errechnet und hieraus auf die Verformungsände­ rung bei Änderung der Anregungsamplituden geschlossen wird.

5. Meßverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Summenbilder mit unterschiedlicher Phasenlage des Auf­ nahmezeitpunktes bezüglich der Anregung erzeugt werden und
dass aus der Analyse der Summenbilder als Funktion der Phasenlage und Anregung ein Zusammenhang zwischen Anregung, Phasenlage und Schwingungsamplitude abgeleitet wird.

6. Meßverfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Anregungsfrequenz variiert wird und
dass aus der Analyse des Schwingungsverhaltens als Funktion der Phase und Frequenz auf die Schwingungsformen der Oberfläche geschlossen wird (Modalanalyse).

7. Meßverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberfläche zum Schwingen oder zu einer sonstigen periodischen Bewegung angeregt wird,
dass mehrere Bilder mit verschiedener Phasenlage der interferierenden Wellen oder der aufprojizierten Streifen (Phasenschiebe-Verfahren) auf­ genommen werden,
dass die Bilder während der Zeitdauer einer Periode der Bewegung oder einem Vielfachen hiervon aufgenommen werden,
dass die Bilder bei mindestens zwei Anregungsamplituden der Oberfläche aufgenommen werden und
dass die Bilder so miteinander verrechnet werden, dass für jeden Punkt der Oberfläche die Änderung der Interferenz-Amplitude bzw. der Streifen- Amplitude bestimmt werden kann und dass hieraus auf die Änderung der Bewegungsamplitude geschlossen werden kann.

8. Meßverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die in Anspruch 7 beschriebene Messung mehrfach mit verschiede­ nen Anregungsamplituden durchgeführt wird und
dass bei gegebener Anregungsamplitude aus dem Verlauf der Interferenz- Amplitude bzw. der Streifen-Amplitude als Funktion der Anregungsampli­ tude in jedem Oberflächenpunkt auf die Bewegungsamplitude geschlos­ sen werden kann.