DE2250679C3 - Meßverfahren zur zerstörungsfreien Feststellung geringer Verformungen oder Formabweichungen eines Werkstücks und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

3 mit einem Objektiv 4, in der ein Aufzeichnungsmedium in Form einer Fotoplatte 5 angeordnet ist

Ein Beispiel für die periodische Struktur des Musters 6 ist in Fig.2 dargestellt Das durch die periodische Struktur gebildete Gitter wird entsprechend der Verformung des Werkstücks ebenfalls verformt Zur Durchführung einer Prüfung wird zunächst die Verformung des Werkstücks über das Objektiv 4 der Kamen 3 auf der Fotoplatte 5 aufgezeichnet Die Fotoplatte 5 wird so hart wie möglich entwickelt damit helle Beugungsspektren der höchsten Ordnung erhalten werden, wenn bei der Auswertung der Fotoplatte Beugungsbilder hergestellt werden.

F i g. 3 zeigt eine Anordnung zur Messung, d. h. zur Wiedergabe der Verformungen oder Formabweichungen eines Werkstücks von einer Fotoplatte mit einer derartigen Aufzeichnung. Diese Anordnung enthält eine Lichtquelle für kohärentes Licht in Form eines Lasers 7. Ferner sind ein Vergrößerungssystem 8, ein als Strahlteiler dienender halbdurchlässiger Spiegel 9, total reflektierende Spiegel 10 und 11, ein halbdurchlässiger Spiegel 12, eine als Aufzeichnungsträger dienende Fotoplatte 5', eine Linse 13, eine Blende 14 und eine Kamera 15 zur Aufzeichnung eines Interferenzmusters entsprechend der durch die Linse 13 und die Blende 14 erfolgten Auswahl vorgesehen. In gewissen Fällen kann anstelle der Linse 13 ein in bestimmten Richtungen durchlässiges Filter Verwendung finden.

Von dem Laser 7 geht ein dünnes Lichtbündel ai.:s, welches von dem Vergrößerungssystem 8 in ein kollimiertes Lichtbündel mit vergrößertem Querschnitt umgewandelt wird und auf den halbdurchlässigen Spiegel auffällt und dort in zwei Strahlengänge aufgeteilt wird. Das eine Lichtbündel A wird von dem Spiegel 10 und dem Spiegel 12 derart reflektiert, daß es auf die Fotoplatte 5' unter einem Einfallwinkel θ auffällt, während das andere Lichtbündel B von dem Spiegel 11 reflektiert wird und dann den halbdurchlässigen Spiegel 11 durchsetzt und auf die Fotoplatte 5' unter einem Einfallwinkel —θ auffällt. Der Einfallwinkel θ zeigt die Richtung des Beugunpsspektrums der /7-ten Ordnung des Lichts an, das senkrecht auf das Beugungsgitter der Fotoplatte 5' auffällt. Der Winkel θ ist durch die folgende Beziehung gegeben.

= sin

(/i ■ /)

λ ist die Wellenlänge des vom Laser abgestrahlten Lichts, η die Ordnung des Beugungsspektrums und ρ der Gitterabstand.

Die beiden Lichtbündel A und B werden von dem Beugungsgitter der Fotoplatte 5' abgebeugt, und die Beugungsspektren der +n-ten und der -/?-ten Ordnung treten senkrecht zur Oberfläche der Fotoplatte aus. Um nur das Beugungsspektrum in Richtung der Flächennormalen auszuwählen, wird durch die Linse 13 ein punktförmiges Bild in der Brennebene erzeugt, und es erfolgt eine Überlagerung durch Ausblendung von zwei punktförmigen Bildern auf der Achse mit Hilfe der Blende 14. Die auf diese Weise hergestellten Interferenzstreifen erhöhen den Verformungsbetrag des Beugungsgitters auf der Fotoplatte um den Faktor 2n. Nach einer Aufzeichnung mit der Kamera 15 werden die Interferenzstreifen mit einem üblichen Verfahren analysiert, oder bei gewissen Anwendungsfällen durch direkte Beobachtung ausgemessen. Bei diesem Verfahren kann die fotografische Empfindlichkeit um so mehr erhöht werden, je höher die Ordnung der überlagerten Beugungsspektren ist Deshalb sind Beugungsgitter mit sehr kleinen Linienabständen oder Gitterkonstanten nicht erforderlich. Wenn ein Beugungsgitter bei dem bekannten Moire-Verfahren zur Überlagerung von Beugungsspektren der +5-Ordnung verwendet wird, kann im Vergleich zu diesem bekannten Verfahren eine um den Faktor 10 größere Empfindlichkeit erzielt werden.

ίο F i g. 4 zeigt eine weitere Anordnung zur Messung, bei der der Strahlengang hinter dem als Strahlteiler dienenden halbdurchlässigen Spiegel 9 abgewandelt ist, so daß gewünschtenfalls auch eine Aufnahme mit dem Licht erfolgen kann, das von der Platte 5' reflektiert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das von dem Laser 7 ausgehende Strahlenbündel nach dem Durchtritt durch das Vergrößerungssystem 8 von dem halbdurchlässigen Spiegel 9 in zwei Lichtbündel unterteilt von denen eines auf die Fotoplatte 5' unter

2<) einem Winkel θ nach einer Reflexion an dem Spiegel 11 auffällt, während das andere Lichtbündel auf die Fotoplatte 5' unter einem Winkel von — θ nach einer Reflexion an den Spiegeln 10 und 10' auffällt. Das durch die Fotoplatte hindurchgetretene Licht wird in der

2) Kamera 15 über die Linse 13 und die Blende 14 aufgezeichnet, die zur Auswahl einer geeigneten Ordnung dienen. Mit den von der Fotoplatte 5' reflektierten Beugungsspektren kann über einen total reflektierenden Spiegel 16 eine Aufzeichnung mit der

jo Linse 13', der Blende 14' und der Kamera 15' erfolgen.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Fotoplatte 5' mit zwei Lichtbündeln beleuchtet, um konjugierte oder nahezu konjugierte Wellenfronten zu überlagern, so daß entsprechende Interferenzstreifen

r> erhalten werden können. Bei einem derartigen Verfahren kann jedoch die Fotoplatte 5' auch nur mit einem Lichtbündel beleuchtet werden und zwei gebeugte Wellenfronten können überlagert werden. Wenn das zu prüfende Werkstück 2 verhältnismäßig groß ist, kann

4(i die Vergrößerung des Objektivs 4 geändert werden. Der umgekehrte Fall kann in entsprechender Weise Berücksichtigung finden.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Verformung iiui in einer Richtung gemessen, obwohl es

■r, auch möglich ist, die Verformung in zwei Richtungen zu messen, indem das Aufzeichnungsmedium verdreht wird.

Im folgenden soll die Ausbildung eines Musters mit einer periodischen Struktur an dem Werkstück be-

>() schrieben werden, wobei das zu prüfende Werkstück selbst ein Muster mit einer periodischen Struktur aufweist. Besonders in diesem Falle ist das Meßverfahren sehr vorteilhaft, weil Beugungsspektren höherer Ordnung bei der Wiedergabe ausgenutzt werden

r, können, wenn der Kontrast der periodischen Struktur größer ist. Im folgenden werden vier Verfahren beschrieben, mit denen ein derartiges Muster mit hohem Kontrast hergestellt werden kann.

(1) Das Werkstück wird geschliffen, und die

Mi bearbeitete Oberfläche wird geschwärzt oder mit schwarzer Farbe überzogen. Dann wird eine Aluminiumschicht aufgedampft oder eine andere Schicht ausgebildet, die ein großes Reflexionsvermögen hat, um die geschwärzte Oberfläche abzudecken. Danach wird

b! eine Schicht aus Fotowiderstandsmaterial aufgetragen, um auf fotografischem Wege ein Muster mit einer periodischen Struktur herzustellen. Danach wird durch Ätzen ein Teil der geschwärzten Oberfläche freigelegt.

um ein Muster mit hohem Kontrast herzustellen, das schwarze Oberflächenteile und Oberflächenleile mit großem Reflexionsvermögen hat.

(2) Ein Fotowiderstandsmaterial wird auf eine dünne Materialschicht einer Aluminiumfolie aufgetragen, welche ein iiohes Reflexionsvermögen hat, um mit Hiife eines fotografischen Druckverfahrens ein geeignetes Muster herzustellen. Diese Schicht wird dann in einen Farbstoff eingetaucht und danach abgespült, um überschüssigen Farbstoff zu entfernen. Auf diesem Wege kann durch eine Färbung ein Muster mit einem hohen Kontrast hergestellt werden. Diese das Muster tragende Schicht wird mit Hilfe eines Klebstoffs an dem zu prüfenden Werkstück befestigt,

(3) Ein Muster wird auf einer Oberfläche einer transparenten Folie aus Kunststoff mit Hilfe eines fotografischen Druckverfahrens ausgebildet. Auf der anderen Seite wird eine Oberfläche mit hohem Reflexionsvermögen mit Aluminium od. dgl. ausgebildet, damit ein Muster mit hohem Kontrast hergestellt werden kann. Dieser Film wird dann an dem zu prüfenden Werkstück befestigt

(4) Ein Muster mit einer periodischen Struktur aus winkeligen, kreisförmigen oder sonstigen periodischen Abschnitten wird auf einer Folie mit einem verhältnismäßig niedrigen Elastizitätsmodul ausgebildet. Diese Musterfolie wird dann an dem Werkstück angeklebt.

Wenn bei der Durchführung der Aufnahme das zu prüfende Werkstück von einer geeigneten Richtung beleuchtet wird, kann ein Muster mit hohem Kontrast zwischen den Elementen mit geringem bzw. hohem Reflexionsvermögen aufgenommen werden.

Wenn das Muster 6 des Werkstücks 2 fotografiert wird, muß die Oberfläche des Musters 6 senkrecht zu der optischen Achse der Kamera 3 angeordnet werden, weil bei einer schrägen Anordnung Meßfehler bei der Auswertung auftreten können, und weil die Aufnahme teilweise abgedunkelt würde.

Eine Meßanordnung mit einem Interferenzgerät zur

Auswahl von Beugungsspektren aus Wellenfrontcn mi¹ unterschiedlichen Ordnungen von einem aufzunehmen den Gitter ist in Fig. 5 dargestellt. Fig. 5 zeigt die einfallenden Lichtbündel 26 und 27 und eine Fotoplatte 5' mit dem bereits aufgenommenen Gitter oder Muster Die durch die Fotoplatte 5' erzeugten Wellenfronter werden von der Linse 13 gesammelt und Beugungsspek tren einer gewünschten Ordnung werden von einei Lochblende 14 ausgeblendet, die an der Brennebene de; Objektivs der Kamera 16 angeordnet ist. Zwischen dei Linse 13 und der Lochblende 14 ist ein zu der optischer Achse verschwenkbarer Spiegel 28 angeordnet. Ein« geschliffene Glasplatte 29 ist in der Brennebene dei Linse 13 über dem Spiegel 28 angeordnet. Di« Glasplatte 29 trägt beispielsweise zwei zueinandei senkrechte Linien 30 (F i g. 6). Auf der Oberfläche diesel Glasplatte 29 können Beugungsmuster 31 unterschiedli eher Ordnungen beobachtet werden. Der Schnittpunk der beiden Linien wird entsprechend dem Zentrum de: Lochblende 14 einjustiert Nach der Überlagerung dei Beugungsspektren gewünschter Ordnung auf den Schnittpunkt durch geeignete Einjustierung der Licht bündel 26 und 27 erfolgt eine Bewegung in die in F i g. i gestrichelt dargestellte Lage. Deshalb treten nui Wellenfronten der gewünschten Ordnung durch da; Zentrum der Lochblende 14 hindurch. Anstelle de: verschwenkbaren Spiegels 28 kann auch ein ortsfester halbdurchlässiger Spiegel Verwendung finden.

Die Interferenzbedingungen können geändert wer den, indem die Fotoplatte 5' in ihrer Ebene gedreht wird Dabei ist es erforderlich, den Drehwinkel der Fotoplattf 5' zu messen oder eine vorher bestimmte Winkellag( herbeizuführen. Wenn die Fotoplatte 5' um einer bestimmten Winkel gedreht wird, wird das Beugungs muster 31 um einen äquivalenten Winkel im Vergleicl zu der Fotoplatte 5' gedreht, wie in F i g. 7 dargestellt ist Der Drehwinkel der Fotoplatte kann mit Hilfe einei Winkeleinteilung 32 bestimmt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Meßverfahren zur zerstörungsfreien Feststellung geringer Verformungen oder Formabweichungen eines Werkstücks, unter Verwendung eines mit ihm fest gekoppelten Aufzeichnungsträgers, auf dem als Beugungsgitter die Abbildung einer periodischen Struktur aufgezeichnet ist, bei dem die Verformungen oder Formabweichungen des Werkstücks in Verschiebungen der Grundperiode umgeformt werden, der Aufzeichnungsträger mit einem Interferenzbündel beleuchtet wird und bei dem an dem Beugungsgitter abgebeugte Wellenfronten miteinander überlagert werden, so daß Verformungen oder Fonnabweichungen als Interferenzmuster überlagerter Wellenfronten gemessen und aufgezeichnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufzeichnungsträger (5) mit einem kohärenten Lichtbündel beleuchtet wird, das unter einem Winkel (θ—Θ) auf den Aufzeichnungsträger auffällt und daß aus der Vielzahl der an dem Aufzeichnungsträger abgebeugten Wellenfronten zwei bestimmte, punktförmige Bilder durch Ausblendung mittels eines optischen Systems (13, 14) zur Interferenz gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufzeichnungsträger mit zwei Lichtbündeln beleuchtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtbündel mit konjugierten Einfallwinkeln auf den Aufzeichnungsträger auffallen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Beugungsspektren zueinander konjugiert sind oder in einer ähnlichen Beziehung zueinander stehen.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Lichtquelle, mindestens zwei Linsen und einer Blende, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Linsen (8,13) ein Strahlenteiler (9), sich an den Strahlenteiler anschließende Spiegel (10, 11; 10, 11, 10', 16) und der Aufzeichnungsträger (5) angeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Strahlenteiler (12) zwischen dem ersten Strahlenteiler (9) und dem Aufzeichnungsträger (S) vorgesehen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Linse (13') und eine hinter dieser Linse liegende Blende (14') vorgesehen sind.

8. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenteiler halbdurchlässige Spiegel sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die hinter der Lichtquelle liegende erste Linse (8) ein Vergrößerungssystem bildet.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vor der Blende liegende Linse durch ein Filter ersetzt ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zweiten Linse (13) und der Blende (14) ein verschwenkbarer Spiegel (29) oder ein nicht bewegbarer, halbdurchlässiger Spiegel eingesetzt ist.

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Meßverfahren entsprechend dem Oberbegriff des ί Hauptanspruchs ist aus der Zeitschrift »The Engineer«, 1964, S. 149 bis 152 bekannt Bei diesem Meßverfahren sind zwei Beugungsgitter eingesetzt, wobei das erste Beugungsgitter eine Vielzahl von Wellenfronten erzeugt. Mittels einer Linse und einer Lochblende werden ίο diejenigen Wellenfronten ausgewählt, die vom zweiten Beugungsgitter mit dem gleichen Beugungswinkel ausgehen und die unterschiedlichste Beugungsordnungen haben. Aufgrund der Beugungseffekte ergibt sich eine Kontrastverschlechterung, was zu einer geringen Empfindlichkeit des Meßverfahrens führt

Ein weiteres derartiges Meßverfahren ist aus der »Zeitschrift für Flugwissenschaft«, 1969, Heft 10/11, S. 294 bis 307 bekannt, bei dem durch mehrere Strahlen Interferenzen erzeugt werden. Außerdem wurde ein 2(i Verfahren vorgeschlagen (DE-OS 21 50 110), bei dem zur Messung geringer Verformungen eine periodische Struktur mit Beugungseigenschaften beleuchtet wird, die Wellenfronten mit konjugierten Wellenfronten zur Interferenz gebracht werden und dann die Verformung r> als Verschiebung der Periode der periodischen Struktur gemessen vird. Mit diesem Verfahren ist nur die Messung einer periodischen Struktur mit Beugungseigenschaften möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein «ι Meßverfahren zur zerstörungsfreien Feststellung geringer Verformungen oder Formabweichungen eines Werkstücks zu schaffen, mit dem eine höhere Empfindlichkeit erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im r> Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur Durchführung des Meßverfahrens ist nur ein einziges Beugungsgitter erforderlich, welches durch die 4Ii auf einem Aufzeichnungsträger aufgezeichnete Abbildung der periodischen Struktur gebildet wird. Mit diesem Meßverfahren lassen sich auf optisches Rauschen zurückzuführende Interferenzringe, die demgegenüber bei dem Moire-Verfahren auftreten können, ■r> wirksam verhindern, wodurch die Empfindlichkeit gegenüber den bekannten Meßverfahren erheblich verbessert wird.

Im folgenden wird eine vorteilhafte Ausführungsform des Meßverfahrens sowie Anordnungen zur Durchfüh-,Ii rung des Meßverfahrens anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Prüfgeräts für Druck- und Zugversuche,

F i g. 2 eine Aufsicht auf einen Aufzeichnungsträger,
">'> F i g. 3 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Durchführung des Meßverfahrens, die zur Wiedergabe der Verformungen oder Formabweichungen eines Werkstücks dient,

Fig. 4 eine gegenüber Fig. 3 abgewandelte Anordwi nung zur Durchführung des Meßverfahrens,

F i g. 5 eine weitere Meßanordnung und

Fig. 6 und 7 schematische Ansichten von Beugungsmustern.

Fig. 1 zeigl ein Prüfgerät 1 für Druck- und „-, Zugversuche, in dem ein zu prüfendes Werkstück 2 angeordnet ist. An dem Werkstück 2 ist ein Muster 6 mit einer periodischen Struktur angeordnet. Zur Aufzeichnung dient bei diesem Ausführungsbeispiel eine Kamera