DE19859781A1 - Verfahren zur out-of-plane-Verformungs- oder Schwingugnsmessung mittels elektronischer Speckle-Plattern-Interferometrie basierend auf der Verwendung mikrostrukturierter brechender optischer Elemente - Google Patents

Abstract

Die elektronische Speckle-Pattern-Interferometrie (ESPI) eignet sich sehr gut für die zerstörungsfreie optische Prüfung von Produkten und Komponenten. "Out-of-plane"-ESPI ermöglicht die Messung von Verformungen und Schwingungen orthogonal zur Oberfläche des Prüflings. Die meisten der bestehenden ESPI-Verfahren und -anordnungen zur Messung von "Out-of-plane"-Verformungen benötigen eine große Anzahl optischer Elemente, die ziemlich teuer und zudem schwierig zu justieren sind. Es gibt eine andere Anordnung für die auf "Out-of-plane"-Verformung ansprechende elektronische Speckle-Pattern-Interferometrie, welche lediglich zwei optische Elemente benötigt (abgesehen vom Prüfling selbst und von der Videokamera, die in jedem Fall verwendet werden müssen). DOLLAR A Bei dem vorgestellten Verfahren wird ein mikrostrukturiertes brechendes optisches Element verwendet, das als Strahlvereiniger von ESPI-Objekt- und ESPI-Referenzwelle dient und diese Wellen auf die optische Achse des Kameraobjektivs und zum Kamerasensor führt. Im Gegensatz zu existierenden Verfahren ist es möglich, eine schräg zur Kamera verlaufende Objektwelle aufzunehmen und zum Kamerasensor zu führen. Das mikrostrukturierte brechende optische Element besteht aus mindestens zwei Gruppen von Mikrostrukturen, um beide ESPI-Wellen (Objekt- und Referenzwelle) exakt auf die optische Achse zu lenken. Anstelle von Objekt und Referenzoberfläche können zwei gleichartige Objekte verwendet werden, wobei das eine als Musterobjekt und das ...

Description

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Verformungs- oder Schwingungsmessung mittels elektroni­ scher Speckle-Pattern-Interferometrie (ESPI), das auf Verformungen oder Schwingungen or­ thogonal zur Ebene des Prüflings anspricht ("Out-of-Plane"-Verformungen bzw. -Schwin­ gungen). Hierzu wird der Prüfling mit der kohärenten Strahlung eines Lasers beleuchtet. Gleichzeitig wird eine Referenzoberfläche mit kohärenter Strahlung derselben Laserquelle be­ leuchtet. Die das Objekt und die Referenzoberfläche beleuchtenden Wellen werden an diesen diffus oder gerichtet reflektiert und bilden ESPI-Objekt- und Referenzwelle, welche von einem Kameraobjektiv aufgenommen werden. Zumindest eine ESPI-Welle (Abb. 1) oder beide ESPI- Wellen (Abb. 2) verlaufen schräg zur optischen Achse des Kameraobjektives. Ein speziell mi­ krostrukturiertes brechendes optisches Element, das als Strahlvereiniger wirkt, wird in den Strahlengang gebracht, um beide Wellen auf die optische Achse des Objektivs und zum Kame­ rasensor zu führen (Abb. 1 und Abb. 2). Beide ESPI-Wellen können eine glatte oder eine diffu­ se Wellenfront haben; beide Wellen können durch Teilung der Wellenfront oder der Amplitude der Laserstrahlung generiert werden; sie können von einem Spiegel oder einer diffus reflektie­ renden Oberfläche hervorgebracht werden.

Zumindest ein Teil der ESPI-Objektwelle oder ein Teil der ESPI-Referenzwelle breitet sich schräg zur optischen Achse der Kamera aus und bleibt ohne mikrostrukturiertes brechendes Element außerhalb des Blickfeldes des Kameraobjektives. Wenn das mikrostrukturierte Ele­ ment jedoch vor das Kameraobjektiv plaziert wird, so führt es beide Wellen auf die optische Achse des Kameraobjektives, welches die Abbildung auf den Kamerasensor durchführt.

Das von Objekt- und Referenzwelle gebildete Speckle-Interferenzmuster wird von einem Ka­ merasensor aufgenommen, der die Specklemuster vor und nach einer Verformung des Objekts festhält. Durch Auswertung dieser Specklemuster mittels Bildverarbeitung ist es möglich, die Out-of-Plane-Verformung oder -Schwingung des Prüflings zu berechnen. Hierfür wird der Prüfling im unverformten und im verformten Zustand (entsprechend zwei verschiedenen Zu­ ständen der Verformung bzw. Schwingung) mit mehreren Specklemustern verschiedener rela­ tiver Phasenlage der beiden interferierenden Wellen (Objekt- und Referenzwelle) aufgenommen und ausgewertet (Phasenschrittmethode). Eine andere Möglichkeit zur Auswertung ist die Be­ rechnung und Darstellung des Speckle-Korrelationsbildes zweier Specklemuster, die dem un­ verforrrtten und dem verformten Zustand des Objektes entsprechen. Ein solches Speckle- Korrelationsbild kann auch mittels einer photographischen Kamera hergestellt werden. Die geläufigen Verfahren von Out-of-Plane-ESPI unterscheiden sich hauptsächlich in der Art der Referenzwelle (ebene oder gestreute Welle), wie diese erzeugt wird (Wellenfront- oder Amplitudenteilung) und wie sie zum Kamerasensor geführt wird (durch die Kameralinse oder dahinter). Aufgrund des begrenzten Auflösungsvermögens der üblichen Kamerasensoren (hauptsächlich CCD-Sensoren) muß der Winkel zwischen der Objekt- und der Referenzwelle auf der Sensoroberfläche ausreichend klein sein, um ein auflösbares Interferenzmuster zu er­ zeugen. Abb. 3 zeigt ein Beispiel für eine ESPI-Anordnung zur Verformungs- und Schwin­ gungsanalyse entsprechend dem Stand der Technik, bei der eine diffuse Referenzwelle durch Wellenfrontteilung und mittels eines holographisch-optischen Elements erzeugt wird und durch das Objektiv auf den Sensor trifft [1, 2].

Bei dem vorgestellten Verfahren kann das mikrostrukturierte brechende optische Element ent­ weder eine periodische oder eine nichtperiodische Struktur besitzen. In beiden Fällen muß das brechende optische Element mindestens zwei Gruppen von Mikrostrukturen aufweisen, um die ESPI-Objektwelle und die ESPI-Referenzwelle exakt auf der optischen Achse in das Kamera­ objektiv zu leiten. Das mikrostrukturierte brechende optische Element kann beispielsweise aus zwei Gruppen von periodisch angeordneten linearen Strukturen bestehen, von denen je eine mit der ESPI-Objektwelle oder mit der ESPI-Referenzwelle arbeitet, abhängig vom Einfallswinkel und von Periode, Profil und Brechungsindex des Materials des mikrostrukturierten Elements. In Abb. 1 und 2 sind mikrorefraktive Bereiche dargestellt, die als Strahlvereiniger dienen. Zum Beispiel können solche Bereiche aus zwei Gruppen von Mikroprismen bestehen.

Das vorgestellte Verfahren erlaubt es, ESPI-Anordnungen zu aufzubauen, die sehr kompakt sind (besonders wenn Halbleiterlaser oder diodengepumpte Nd : YAG-Laser verwendet wer­ den), einfach zu bedienen sind und praktisch keine Justierung benötigen. Solche neuartige An­ ordnungen können an Kompaktheit nur mit den in [1, 2] beschriebenen oder mit faseroptischen verglichen werden. Letztere benötigen ziemlich komplizierte und zeitaufwendige Prozeduren zur Justierung und sind nicht einfach zu bedienen.

Infolge des sehr einfachen optischen Aufbaus der vorgestellten ESPI-Anordnungen wird die Laserstrahlung sehr gut ausgenutzt. Daher ist es möglich, in einer hell beleuchteten Umgebung bei Beleuchtungsstärken zu arbeiten, wie sie für industrielle Arbeitsplätze empfohlen werden (einige hundert lux), oder sogar bei deutlich höheren Werten. Dazu kann in der Kamera ein geeigneter Interferenzfilter verwendet werden, der der Laserwellenlänge angepaßt ist, um den inkohärenten Strahlungsanteil auf dem Kamerasensor zu begrenzen.

Die Einführung von mikrostrukturierten brechenden optischen Elementen, die als Strahlverei­ niger dienen, ermöglicht die Auswertung der Differenz von Verformungs- und Schwingungs­ mustern eines Musterobjekts und eines gleichartigen Prüflings. Dieses innovative ESPI- Verfahren kann beispielsweise als Schnelltest von Produkten und Komponenten in Produkti­ onslinien der Mikroelektronik-Industrie angewandt werden.

Literatur

1. V. Petrov, B. Lau, Electronic speckle pattern interferometry with a holographically genera­ ted reference wave. Optical Engineering 35, pp. 2363-2370, (1996).
2. B. Lau, P. Kuschnir, U. Schmid, V. Petrov, Application of combined method of electronic speckle pattern interferometry and holography to vibration analysis. 2nd Intern. Conf. on Vi­ bration Measurements by Laser Techniques, Ancona, 23-25 September 1996, Proc. SPIE 2868, pp. 346-351, (1996).

Claims (22)

1. Verfahren zur Verformungs- oder Schwingungsmessung mittels elektronischer Speckle- Pattern-Interferometrie (ESPI), das auf Verformungen oder Schwingungen orthogonal zur Ebene des Prüflings anspricht ("out-of-plane"-Speckle-Interferometrie), dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide ESPI-Wellen - Objekt- und Referenzwelle - über ein mikrostrukturier­ tes brechendes optisches Element auf die optische Achse des Kameraobjektivs geführt werden und mindestens eine der beiden Wellen dabei gebrochen wird.

2. Verfahren zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Strahlvereiniger fungierende mi­ krostrukturierte brechende optische Element entweder periodische oder nichtperiodische Mikrostrukturen besitzen kann.

3. Verfahren zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mi­ krostrukturierte brechende optische Element mindestens zwei Gruppen von Mikrostruktu­ ren aufweist, um beide ESPI-Wellen (Objekt- und Referenzwelle) exakt auf die optische Achse zu lenken.

4. Verfahren zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das mi­ krostrukturierte optische Element aus mindestens zwei Gruppen von periodisch angeord­ neten linearen Mikrostrukturen bestehen kann.

5. Verfahren zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mi­ krostrukturierte optische Element aus matrixartigen Mikrostrukturen bestehen kann.

6. Verfahren zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der ESPI-Objektwelle oder ein Teil der ESPI-Referenzwelle schräg zur optischen Achse der Kamera verläuft und sich ohne das mikrostrukturierte brechende optische Ele­ ment außerhalb des Blickfeldes des Kameraobjektives befindet. Wenn das mikrostruktu­ rierte Element jedoch vor das Kameraobjektiv plaziert wird, so führt es beide Wellen auf die optische Achse des Kameraobjektives, welches die Abbildung auf den Kamerasensor durchführt.

7. Verfahren zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ESPI- Objektwelle bevorzugt symmetrisch zur ESPI-Referenzwelle verläuft.

8. Verfahren zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von Objekt und Referenzoberfläche zwei gleichartige Objekte verwendet werden können, von denen das eine als Musterobjekt dient und das andere als Testobjekt. Wenn beide Objekte belastet werden, wird die Differenz der Verformungs- oder Schwingungsmuster gemessen. Beim Einsatz in Produktionslinien können Objekte untersucht und mit einem Musterobjekt verglichen werden.

9. Verfahren zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl ebene als auch diffus gestreute ESPI-Wellen verwendet werden können.

10. Verfahren zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen, die das Objekt und die Referenzoberfläche beleuchten, von derselben Laserquelle generiert werden und mit Hilfe von Wellenfront- oder Amplitudenteilung zum Objekt und zur Referenzoberfläche gelangen.

11. Verfahren zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungen der Verformungen und Schwingungen mittels einer Videokamera und eines auf dem Phasenschritt- oder der Specklekorrelationsmethode beruhenden Bildverarbei­ tungssystems durchgeführt werden.

12. Anordnung zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI, dadurch gekennzeichnet, daß beide ESPI-Wellen - Objekt- und Referenzwelle - über ein mikrostrukturiertes brechendes optisches Element auf die optische Achse des Ka­ meraobjektivs gelenkt werden und dabei mindestens eine der beiden Wellen gebrochen wird.

13. Anordnung zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das als Strahlvereiniger dienende mikrostrukturierte brechende optische Element entweder periodische oder nichtperiodische Mikrostrukturen besitzen kann.

14. Anordnung zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß das mikrostrukturierte brechende optische Element minde­ stens zwei Gruppen von Mikrostrukturen aufweist um beide ESPI-Wellen (Objekt- und Referenzwelle) exakt auf die optische Achse zu lenken.

15. Anordnung zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das mikrostrukturierte brechende optische Element aus mindestens zwei Gruppen periodisch angeordneter linearer Mikrostrukturen bestehen kann.

16. Anordnung zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das mikrostrukturierte brechende optische Element aus matrixartigen Strukturen bestehen kann.

17. Anordnung zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens ein Teil der ESPI-Objektwelle oder der ESPI-Referenzwelle schräg zu der optischen Achse der Kamera verläuft und sich ohne das mikrostrukturierte brechende optische Element außerhalb des Blickfeldes des Kameraobjektives befindet. Wenn das mikrostrukturierte Element jedoch vor das Kameraobjektiv plaziert wird, so führt es beide Wellen auf die optische Achse des Kameraobjektives, welches die Abbildung auf den Kamerasensor durchführt.

18. Anordnung zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ESPI-Objektwelle bevorzugt symmetrisch zur ESPI-Referenzwelle verläuft.

19. Anordnung zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß anstelle von Objekt und Referenzoberfläche zwei gleichartige Objekte verwendet werden können, von denen das eine als Musterobjekt dient und das andere als Testobjekt. Wenn beide Objekte belastet werden, wird die Differenz der Verformungs- oder Schwingungsmuster gemessen. Beim Einsatz in Produktionslinien können Objekte untersucht und mit einem Musterobjekt verglichen werden.

20. Anordnung zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sowohl ebene als auch diffus gestreute ESPI-Wellen verwendet werden können.

21. Anordnung zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wellen, die das Objekt und die Referenzoberfläche beleuchten, von derselben Laserquelle generiert werden und mit Hilfe von Wellenfront- oder Amplituden­ teilung zum Objekt und zur Referenzoberfläche gelangen.

22. Anordnung zur "out-of-plane"-Messung von Verformungen und Schwingungen mittels ESPI zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswertungen der Verformungen und Schwingungen mittels einer Videokamera und eines auf dem Phasenschritt- oder der Specklekorrelationsmethode be­ ruhenden Bildverarbeitungssystems durchgeführt werden.