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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
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Vorrichtung zur Erfassung und Darstellung der Gestalt bzw. der Gestaltsänderung
der Oberfläche von Objekten, bei dem ein Gitter auf das Objekt projiziert und das
Bild des Gitters auf dem Objekt aus einer von der Projektionsrichtung abweichenden
Richtung fotografiert wird und wobei dieses Foto mit einem auf analoge Weise erzeugten
Foto eines Vergleichsobjektes unter Ausnutzung des Moiree-Effektes überlagert wird.
Das Verfahren und die Vorrichtung sollen eine Darstellung der OberflEchen7 gestalt
oder des Verfornungszustandes eines Objektes in Form von Linien gleicher Höhe über
eine Bezugsebene oder Linien gleicher Verschiebung gegenüber einem Bezugs zustand
liefern. Es läßt sich insbesondere zur Kontrolle der Lage und der Verformung eines
Modells in einem Windkanal einsetzen. Bei Messungen mit Modellen im Windkanal werden
nämlich unter Einfluß der äußeren Belastungen die Lage und die geometrische Form
des Modells elastisch verändert.
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Die Renntnis dieser Veränderungen ist wesentlich fur eine zuverlässige
Zuordnung und Interpretation der Meßergebnisse.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art
sind bereits aus APPLIED OPTICS VON. 10, Nr. 12, Dez.1971, Seiten 2734 bis 27382
insbesondere Seiten 2734 und 2735 bekannt. Dabei wird mittels eines Projektors ein
Gitter aus quasi-unendlicher, also großer, Entfernung auf das Objekt projiziert
Aus abweichender Richtung wird eine fotografische Aufnahme der Abbildung des Gitters
auf dem Objekt gemacht. Unter Verwendung eines Vergleichsobjektes, welches hier
ein zweites Objekt sein kann, wird eine analoge Aufnahme gemacht. Beide Aufnahmen
werden überlagert. Unter Ausnutzung des Moiree-Effektes kann man feststellen, ob
eines der Objekte eine Formabweichung gegenüber dem anderen
aufweist.
Es ist lediglich ausgefUhrt, daß die Projektion des Gitters aus sehr großer Entfernung
stattfinden soll.
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Eine Zuordnung zwischen dem dabei benutzten Projektor und der Kamera
ist nicht ersichtlich. Dieses bekannte Verfahren besitzt verschiedene Nachteile.
Bei sehr großen Objekten sind große Optiken des Projektors erforderlich. Befindet
sich das zu untersuchende Objekt innerhalb eines Gehäuses, also beispielsweise innerhalb
eines Windkanals, so sind große öffnungen in der Wandung des Windkanals erforderlich,
um das Bild des Gitters von außen aus großer Entfernung auf das Objekt im Innern
des Windkanals werfen zu können. Es findet auch ein großer Abstand des Beobachters
bzw. der Kamera Anwendung, was wegen der Parallelität der Strahlengänge erforderlich
ist. Wenn diese Bedingungen der Parallelität und der großen Entfernungen, die an
einer Vorrichtung nachteilig sind, nicht eingehalten werden, entstehen bei der Erfassung
und Darstellung größere Fehler.
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Es ist ein weiteres Verfahren zur Erfassung und Darstellung der Gestalt
eines Objektes aus APPLIED OPTICS VOL. 9, Nr 4, April 1970, Seiten 942 bis 947,
insbesondere Seite 946, bekannt, welches jedoch gattungsmäßig abweicht, weil hier
ein Rasterbild auf die Oberfläche des Objekts durch Schattenwurf eines unmittelbar
vor der Oberfläche erzeugten Rasters benutzt wird. Das den Schattenwurf erzeugende
Raster dient dabei gleichzeitig als Bezugs raster. Das erzeugende Raster muß hierbei
in unmittelbarer Nähe des Objekts angeordnet sein und die gleiche Größe wie das
Objekt haben, weil dieses Schattenwurfverfahren wegen Beugung sinnvollerweise einen
möglichst geringen Abstand des Rastermodells von dem Objekt erfordert. Hierdurch
werden aber die Versuchsbedingungen unter Umständen erheblich oder sogar unzumutbar
beinträchtigt.
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Darüber hinaus kann das Bezugsraster nicht frei wählbar sein; es muß
vernünftigerweise eben ausgebildet sein. Damit aber ist dieses Verfahren ungeeignet,
Gestaltsänderungen festzuhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß die Gestalt und/oder die
Gestaltsänderung der Oberfläche von Objekten erfaßt werden kann.
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und bei dem alle Teile der Vorrichtung in geeigneter Entfernung vom
Objekt angeordnet werden können, so daß weder der Versuchsaufbau mit dem Objekt
negativ beeinflußt wird noch die dabei eingesetzte Vorrichtung den Versuchsbedingungen
in der Meßstrecke ausgesetzt ist. Weiterhin muß es möglich sein, mit dem Verfahren
auch Objekee innerhalb von Gehäusen zu beobachten, wobei die e Unterbrechung des
Gehäuses nur relativ klein ausgebildet sein soll.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Gitter aus endlicher
Entfernung auf das Objekt und zeitlich versetzt auf das Vergleichsobjekt projiziert
wird und die beiden Fotos aus einem der Normalentfernung der Projektion gleichen
Normalabstand von dem Objekt bzw. Vergleichsobjekb aufgenommen werden. Die Erfindung
wendet sich damit grundsatzlich weg von einer Projektion aus dem Unendlichen. Die
Normalentfernung, also die senkrechte Entfernung von der Bezugsebene des Bezugsobjektes,
kann in vernünftigen GröBenordnungen gewählt werden, wobei lediglich darauf zu achten
ist, daß diese Normalentfernung des Projektors und der Normalabstand, also der senkrechte
Abstand der Kamera von der Bezugsebene, gleich sein müssen. Damit entfällt gleichzeitig
die Notwendigkeit der Verwendung von Optiken großen Durchmessers bei der Erfassung
der Gestalt großer Objekte.
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Auch Meßstrecken mit Objekten in Gehäusen, beispielsweise ein in einem
Windkanal aufgehängter Flugkörper, kann ohne weiteres durch das Gehäuse hindurch
mit zwei dort angebrachten relativ kleinen oeffnungen beobachtet werden. Da jeweils
zwei Fotos zur Überlagerung gebracht werden, können diese Fotos frei gewählt werden,
doho es kann sowohl die Gestalt eines Objektes als auch die Gestaltsänderung eines
Objektes infolge Belastung oder andersartiger Einwirkung aufgezeichnet werden. Sofern
das Vergleichsobjekt eine Vergleichsebene ist, können mit dem Verfahren Höhenschichtlinien
unter Ausnutzung des Moiree-Effektes aufgezeichnet werden0 Ein weiterer Vorteil
des Verfahrens besteht darin, daß alle Punkte des Objekts simultan erfaBt werden;
das Verfahren ist also auch für die Erfassung zeitlich veranderlicher Verschiebungszustände
geeignet. An das Objekt werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Durch Zusammenfassung
der bei dem Verfahren verwendeten Vorrichtung in einem Gerät werden Justieraufgaben
minimiert bzw veLeinfacht. Die Vorrichtung kann in einiger Entfernung vom Objekt,
z.B. außerhalb der Meßstrecke und außerhalb der dort herrscnenden Bedingungen, angeordnet
werden. Die nähere Umgebung des Objektes braucht nicht unbedingt zugänglich zu sein.
Bei extremen Versuchsbedingungen, z.B. bei tiefen Temperaturen, muß die Vorrichtung
nicht diesen Bedingungen ausgesetzt sein.
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Bei der Auswertung von Strömungseinflnssen am Objekt bzw. an der Meßstrecke
werden die Einwirkungen einer Strömung durch die Vorrichtung selbst nicht verfälscht
bzw. nicht überlagert.
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Zur Erhöhung des Auflösungsvermögens können bei der Projektion und
bei den Fotos Objektive größerer Brennweite und/oder ein kleiner Linienabstand des
Gitters Verwendung finden. Zur Erhöhung des Auflösungsvermögens ist es auch möglich,
den Unterschied
zwischen Projektionsrichtung und Aufnahmerichtung
möglichst groß zu wählen, damit die seitlichen Verschiebungen möglichst groß werden
Zur Erhöhung der Genauigkeit können die Achsen der Objektive von Projektor und Kamera
nochmals zum Objekt bzw. Vergleichsobjekt ausgerichtet werden, also senkrecht zu
der Objektebene, obwohl die Projektion und die Aufnahme in verschiedenen Richtungen
schräg erfolgen.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens arbeitet mit einem
Projektor und einer Kamera und kennzeichnet sich dadurch, daß der Projektor und
die Kamera zu einem einzigen Gerät zusarnmengefaßt sind. Es besteht die Möglichkeit,
Projektor und Kamera in einem einzigen Gerät zusammenzufassen und auf diese Weise
vorteilhaft handhaben zu können. Es tritt keine zwangsläufige Verringerung des Auflösungsvermögens
durch Verkleinerung des Unterschiedes der Richtungswinkel zwischen Projektion und
Aufnahme ein.
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Vielmehr läßt sich die aus den beiden Teilen bestehende Vorrichtung
mit festgelegter Basis einfach handhaben und anwenden. Die Basis zwischen Projektor
und Kamera kann auch verstellbar sein, wobei auch die Richtungswinkel der Achsen
der Objektive des Projektors und der Kamera veränderbar -ausgebildet sein können.
Die Achsen der Objektive des Projektors und der Kamera können darüber schwenkbar
angeordnet sein; um den Überdeckungswinkel einzustellen Die Erfindung wird anhand
der Zeichnungen weiter erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung,
Fig.
2 die schematisierte Darstellung der Wirkungsweise der Vorrichtung, Fig. 3 die Aufnahme
bzw. das Bild des Gitters in der Bezugsebene Fig. 4 die Aufnahme bzw. das Bild des
Gitters auf dem Objekt, Fige 5 die Überlagerung der Bilder der Fig. 3 und 4, nämlich
die Höhenschichtlinien im Bild des Objektes, Fig. 6 die nöhenschichtlinien an einem
belasteten Objekt und Flg 7 die Überlagerung der Figo 5 und 6 als Linien gleicher
Verformung Gemäß den Fig. 1 und 2 ist eine Bezugsebene 1 vorgesehen, in die mit
Hilfe eines Projektors 2 das Bild 4 eines Gitters 3 geworfen wird. Der Projektor
2 besitzt eine Lichtquelle 5 und ein Objektiv 6, welches normal zu der Bezugsebene
1 ausgerichtet angeordnet ist, also schräg zu der Projektionsachse 7.
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Das Objektiv 6 hat eine Normalentfernung 8 von der Bezugsebene 1.
Das Objektiv 9 einer Kamera 10 besitzt ebenfalls einen Normalabstand 71 von der
Bezugsebene 1. Die Normalentfernung 8 und der Normalabstand 11 sind gleich. Die
Entfernung zwischen den beiden Objektiven 6 und 9 ist die Basis 12. Auch das Objektiv
9 St normal zu der Bezugsebene 1 ausgerichtet angeordnet, also schräg zu der Achse
13 des Strahlengangs. Das Objektiv 9 bildet das Bild 4 is Gitters 3 in der Bildebene
14 als Foto 15 ab.
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Mittels des Objektivs 6 wird also in der Bezugsebene 1 ein Bild 4
des Gitters 3 erzeugt. Die einzelnen Linien des Bildes 4 dieses Gitters seien parallel
und äguidistant.
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In der Normalentfernung 8 des Objektivs 6 ist auch entsprechend in
dem Normalabstand 11 das Objektiv 9 der Kamera 10 angeordnet. Dieses Objektiv 9
bildet das Bild 4 des Gitters 3 in der Bezugsebene 1 auf der Bildebene 14 als Foto
15 ab. Die Linien des Bildes 4 verlaufen senkrecht zu der Verbindungslinie der beiden
Objektive 6, 9, also zu der Basis 12.
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Trifft nun gemäß Fig. 2 ein Projektionsstrahl durch das Objektiv 6
bereits vor der Bezugsebene 1 auf ein Oberflächenelement 16 eines etwa in der Bezugs
ebene 1 angeordneten Objektes, dann erscheint die hier entworfen Rasterlinie in
der Bezugsebene 1 seitlich versetzt. Der dem Bild in der Bezugsebene 1 entsprechende
scheinbare Ursprung ist gegenüber der Position von dem Durchstoßpunkt 17 der Achse
7 in der Bezugsebene 1 um den Betrag 18 seitlich verschoben. Die Verschiebung um
den Betrag 18 ist dabei in erster Näherung nur dem Abstand 19 des Oberflächenelementes
16 von der Bezugsebene 1 proportional, und zwar unabhängig von der Position in der
Bezugsebene 1. Wegen der Ähnlichkeit der von den Projektionsstrahlen gebildeten
Dreiecke gilt -die Beziehung 18 : 19 s 12 : (8 - 19).
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Für relativ kleine Abstände (19 bedeutet dies 18 19 12 8 Über ein
Oberflächenelement 16 entsteht also in der Bezugsebene 1 ein verzerrtes Bild des
Gitters 3. Überlagert man dieses Bild dem Bild 4 des Gitters 3 gemäß Fig. 1 in der
Bezugs
ebene 1, so entsteht ein System von Interferenzlinien. Jede dieser Linien verbindet
Punkte mit konstanter Verschiebung 18, die jeweils einem ganzzahligen Vielfachen
des Abstandes der Gitterstriche entspricht. Es handelt sich also um Höhenlinien
gegenüber der Bezugsebene 1. Der Schicht abstand dieser Höhenlinien ist #19 #Rasterabstand
. 8.
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12 überlagert man das Rasterlinienbiid von einer das Oberflächei
element 16 einschließenden Oberfläche nicht mit dem einer Bezugsebene 1, sondern
mit dem einer durch Verformung des Objektes entstandenen Oberfläche, so erhält man
ein Interez bild mit Linien gleicher Verformung. Der Schichtlinienabstanc ist auch
hier wieder #19#Rasterabstand . 8.
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12 Die Empfindlichkeit des Verfahrens betrugt 1 1 . 12 #19 = Rasterabstand
8.
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Für hohe Empfindlichkeit muß demnach die Basis 12 möglichst groß sein
im Verhältnis zum Normalabstand 11 bzw. zur Normalentfernung 8. Praktisch wird das
Verhältnis 12 : 8 begrenzt durch den Öffnungswinkel der verwendeten Objektive 6
und 9.
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Es müssen also Weitwinkelobjektive verwendet werden. Für hohe Empfindlichkeit
sollte außerdem die Rasterdichte hoch sein. Sie wird begrenzt durch das AuflSsungsvermögen
in der Bildebene 14, d.h. auch durch den Abbildungsmaßstab. Es sollten also Objektive
nicht zu kurzer Brennweite verwendet werden.
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Das durch die Projektion in die Bezugsebene 1 entworfene Bild 4 des
Gitters 3 muß parallel und Equidistant sein.
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Unvermeidliche Verzeichnungen durch das Objektiv 6 können ggf. bedeutungslos
gemacht werden, indem man das projizierte toriginalS durch ein Foto eines in der
Bezugsebene 1 angeordneten Idealrasters" erzeugt.
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Die Fig. 3 bis 7 zeigen einige Fotos, auf denen die Gestalt bzw. die
Gestaltsänderung entnehmbar ist. Es versteht sich, daß anstelle eines Fotos mit
einem lichtempfindlichen Film auch eine Fernsehkamera und eine nachgeschaltete Auswerteeinheit
Anwendung finden kann. Bei den Fig. 3 bis 7 diente als Objekt ein Flugzeugmodell
mit 18cm Spannweite. Die übrigen Daten des Versuchsaufbaus waren: Normalentfernung
bzw. Normalabtand 8, 11 - 500 mm Basis zwischen den Objektiven 6 und 9 = 250 mm
Rasterlinienabstand # 0,75 mm Schichtdicke Q 19 ~ 1,5 mm.
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Die Empfindlichkeit des Versuchsaufbaus, d.h. die Dichte der weißen
Moirée-Linien, war durch Verwendung eines groben Rasters bewußt gering gehalten
worden, um die erzeugenden Rasterlinien in den Bildern deutlich erkennbar bleiben
zu lassen.
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zelle Uberlagerungen wurden für die entsprechenden Figuren durch Doppelbelichtung
auf demselben Film erzeugt. Andere Anwendungsmöglichkeiten sind denkbar