DE29924967U1

DE29924967U1 - Vorrichtung zur Objektuntersuchung

Info

Publication number: DE29924967U1
Application number: DE29924967U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-12-23
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2009-12-24

Abstract

Vorrichtung zur Ermittlung von Verformungen an der Oberfläche eines zu prüfenden Objekts (1), insbesondere einer diffus streuenden Oberfläche, mit
einer Beleuchtungseinheit (E), die eine Gruppe von Laserdioden (2, 3, 4, 5, 6) aufweist, die jeweils für sich einen Lichtkegel (2a, 3a, 4a, 5a, 6a) erzeugen, wobei die Laserdioden (2, 3, 4, 5, 6) so angeordnet sind, dass die Lichtkegel (2a, 3a, 4a, 5a, 6a) ineinander fließen und sich auf der Oberfläche des zu prüfenden Objekts (1) überlappen, um einen gemeinsamen Leuchtfleck (7) auf der Oberfläche des zu prüfenden Objekts (1) zu erzeugen;
einem Messkopf (8), der ein Interterometer (14) aufweist, wobei durch das Interferometer (14) aus dem von der Oberfläche des zu prüfenden Objekts (1) rückgestreuten Licht ein Interferenzbild erzeugbar ist, und
einem elektronischen Bildsensor (25), der in dem Strahlengang des Interferometers (14) so angeordnet ist, dass das Interterenzbild von dem Bildsensor (25) erfassbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Untersuchen von Objekten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Untersuchung von an Objekten mit diffus streuender Oberfläche auftretenden Verformungen.
Nicht zerstörende Objektprüfungen sind insbesondere dort praktisch interessant, wo Qualitätsprüfungen an Werkstücken oder anderweitigen Arbeitsobjekten vorzunehmen sind. Beispielsweise stellt sich in der Praxis die Aufgabe, Reifen auf Fehlstellen zu untersuchen.
Dazu ist es aus der DE 42 31 578 C2 bekannt, die Oberfläche eines Prüflings mit Laserdioden zu beleuchten. Die Beobachtung des Prüflings erfolgt mittels eines Interferometers, das an einem Bildsensorsystem ein Interferenzbild erzeugt. Ein Spiegel des Interferometers ist beweglich angeordnet. Die erzeugten Interferenzbilder sind 2π-moduliert; dies bedeutet, dass Phasendrehungen, die den Wert 2π überschreiten, von einer entsprechenden, um 2π verminderten Phasendrehung nicht ohne weiteres unterscheidbar sind. Dadurch kann ein Punkt- oder Linienmuster erzeugt werden, das die Verformung der Oberfläche kennzeichnet. Zur Beleuchtung der Objektoberfläche werden mehrere Laserdioden eingesetzt, die jeweils einen Leuchtfleck erzeugen. Die Leuchtflecke grenzen aneinander und überlappen sich allenfalls in Randzonen. Die beleuchteten Teilflächen setzen die Gesamtfläche zusammen. Die Abbildungsqualität der Einrichtung ist eingeschränkt.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Beobachten von Objektoberflächen zu schaffen, die eine verbesserte Bildqualität aufweist.
Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Ansprüchen 2 bis 20 definiert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Messkopf auf, der anhand des von der Objektoberfläche rückgestreuten Lichts ein Interferenzbild erzeugt. Ein elektronischer Bildsensor, der in den Messkopf integriert sein kann, erfasst das Interferenzbild und wandelt es in entsprechende elektrische Signale um, die dann weiter auswertbar sind.
Das von dem Messkopf erfasste Bildfeld wird von einer Beleuchtungseinheit beleuchtet, die mehrere Laserdioden aufweist. Diese sind so angeordnet, dass sie einen gemeinsamen Leuchtfleck bilden. Dieser ist vorzugsweise gleichmäßig ausgeleuchtet, so dass innerhalb des Leuchtflecks nur geringe Helligkeitsunterschiede anzutreffen sind. Dies wird durch eine relativ große Überlappung der aus den einzelnen Laserdioden austretenden Lichtbündel erreicht. Der gemeinsame Leuchtfleck ist nicht in Einzelleuchtflecke unterteilt. Bevorzugt beleuchten mehrere Laserdioden die Gesamtfläche des Leuchtflecks so, dass die von jedem Punkt zurückgestreute Strahlung inkohärent ist. Die Laserdioden sind bevorzugt so angeordnet, dass die zurückgestreute Gesamtstrahlung jeder Teilfläche der beobachteten Gesamtfläche bei gleichzeitigem Betrieb der Laserdioden größer ist als beim Betrieb jeweils nur einer Laserdiode.
Die Überlappungszonen der von den Laserdioden jeweils beleuchteten Bereiche sind vorzugsweise größer als die nicht überlappenden Zonen. Dies ermöglicht die Erzielung einer gleichmäßigen Lichtverteilung. Es wird darüber hinaus bevorzugt, keine Zone zuzulassen, die nur von einer Laserdiode be leuchtet ist. Um sicherzustellen, dass keine Teilfläche von nur einer Lichtquelle (Laserdiode) beleuchtet ist, können Laserdioden auch gruppenweise zusammengefasst werden und in Gruppen von zwei oder mehr Laserdioden auf eine gewählte Teilfläche ausgerichtet werden.
Durch die gleichmäßige Ausleuchtung der zu untersuchenden Objektoberfläche wird trotz fehlender Kohärenz der einzelnen die Oberfläche treffenden Lichtanteile eine erhöhte Bildqualität erreicht. In dem erzeugten Interferenzbild sind sowohl in Bildmitte als auch an den Bildrändern die gewünschten Verformungen gut zu erkennen.
Die Lichtbündel der Laserdioden können so stark überlappen, dass mehr als die Hälfte der Fläche des Leuchtflecks Licht von zwei Laserdioden erhält. Dabei können ausgedehnte Bereiche vorliegen, die von dem Licht mehrerer Laserdioden mit etwa gleicher Intensität beleuchtet werden. Die Leuchtflecken einzelner Laserdioden können nahezu das gesamte zu beleuchtende Feld einnehmen.
Es werden schmale Saumzonen, in denen Leuchtflecken aneinander anschließen und in denen sich eine ungleichmäßige Lichtverteilung ergeben könnte, vermieden.
Außerdem können mehrere Bereiche vorhanden sein, die von dem Licht von mehr als zwei Laserdioden getroffen werden. Die Ausrichtung wird zweckmäßigerweise in den meisten Fällen auf gleichmäßige Helligkeitsverteilung ausgerichtet. Dabei ist es auch möglich, nahezu die gesamte Fläche des Leuchtflecks von mehr als zwei Dioden und auch von unterschiedlich vielen Dioden beleuchten zu lassen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform werden alle Punkte des Leuchtflecks, die von der Kamera oder einer anderen Bilderfassungseinrichtung erfasst werden, von wenigstens zwei Laserdioden beleuchtet. Das Licht ist somit in dem gesamten von der Kamera erfassten Bereich inkohärent. Ferner können auch dann ordentliche Messergebnisse erhalten werden, wenn eine Laserdiode ausgefallen ist.
Es werden von unabhängigen, zueinander nicht kohärenten, aber annähernd gleichgerichteten Lichtquellen mehrere sich überdeckende Specklefelder erzeugt und gleichzeitig auf einem Bildsensor abgebildet. Das resultierende, überlagerte Specklefeld wird aufgenommen und zur Berechnung der Objektdeformation verwendet.
Es ist möglich, die Laserdioden der gesamten Gruppe gleichzeitig, vorzugsweise im Dauerbetrieb, leuchten zu lassen. Bei einer abgewandelten Ausführungsform können die Laserdioden pulsierend betrieben werden. Dadurch ist eine höhere Lichtausbeute für den Moment der Bildaufnahme möglich, wodurch entweder das beobachtete Objektfeld vergrößert oder die Beleuchtungsleistung verkleinert oder die Belichtungszeit verkürzt werden kann.
Es ist vorteilhaft, wenn die einzelnen Lichtquellen untereinander zwar nicht kohärent sind, aber nur geringfügig voneinander abweichende Lichtwellenlängen besitzen. Außerdem sollten sich die Einstrahlwinkel (Winkel, unter dem der Lichtstrahl auf das Objekt trifft) der einzelnen Lichtquellen nicht zu stark unterscheiden.
Es ist auch möglich, sich etwas mehr unterscheidende Lichtwellenlängen, zum Beispiel λ₁, λ₂ vorzusehen. Bei Verwendung von zwei Gruppen von Lichtquellen errechnet sich die resultierende Empfindlichkeit dann zu: λres = (λ1·λ2)/(λ1+λ2).
Jeder Wellenlängenanteil sollte hier mit möglichst gleicher Intensität vorliegen.
Alternativ ist es möglich, die Laserdioden derart anzusteuern oder beispielsweise mit einer Shuttervorrichtung derart anzuordnen, dass das Licht der Laserdioden der Gruppe zeitlich versetzt auf die Objektoberfläche trifft. Die entstehenden Einzelinterferogramme können an dem Bildsensor überlagert und summiert (integriert) oder, je nach Hardware, einzeln aufgenommen und in einem Rechner miteinander kombiniert werden. Wie bei Dauerbeleuchtung ergibt sich insgesamt ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Feld. Die Laserdioden können ruhend oder bewegt angeordnet sein.
Der Bildsensor ist vorzugsweise an eine Bildauswerteeinrichtung angeschlossen, die anhand mehrerer aufgenommener Interferenzbilder eine Verformung der Objektoberfläche bestimmt. Dies ist insbesondere in Fällen zweckmäßig, bei denen die Struktur oder Form der unverformten Objektoberfläche ohne Interesse ist. Solche Messungen sind beispielsweise bei der Werkstück- oder Materialprüfung zweckmäßig. Zum Beispiel können sie dazu eingesetzt werden, Fehlstellen an Reifen zu erkennen. Die zu untersuchende Reifenoberfläche wird dabei bei zwei voneinander verschiedenen Umgebungsdrücken aufgenommen. Entstehende Verformungen werden sichtbar gemacht.
Das Interferometer kann ohne direkten Referenzstrahl arbeiten. Dies ist möglich, wenn der von dem Objekt rückgestreute Strahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, von denen einer einer Phasenverschiebung unterworfen wird. Die Phasenverschiebung ist vorzugsweise steuer- oder kontrollierbar. Dazu dient vorteilhafterweise eine Einrichtung zur Phasenverschiebung, beispielsweise ein Spiegel, der von einem Piezo-Aktuator verstellt wird. Es ist möglich, als Interferometer ein Michelson-Interferometer zu verwenden. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform nutzt jedoch als Interferometer eine Anordnung, bei der der Objektlichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, die auf unterschiedlichen Wegen zu dem Bildsensor gelangen und sich erst dort wieder treffen. Dies hat den Vorteil, dass Lichtverluste, wie sie beim Michelson-Interferometer beim Zusammenführen der Teilstrahlen im Strahlteiler auftreten, vermieden werden.
Der Bildsensor ist an eine Bildauswerteeinrichtung angeschlossen, die vorzugsweise eine Recheneinheit aufweist. Die Recheneinheit, beispielsweise ein entsprechend leistungsfähiger Computer, arbeitet ein Programm ab, das die Bildverarbeitung bewerkstelligt. Dabei wird beispielsweise aus mehreren, von dem ruhenden Objekt mit gegeneinander verschobener Phasenlage aufgenommenen Bildern ein Phasenbild berechnet. Die Phasenlagen einzelner Bildpunkte sind in der Regel stochastisch verteilt und geben keinen direkten Aufschluss über das Objekt. Wird die Objektoberfläche jedoch verformt oder um einen geringen Betrag auf den Messkopf hin oder von diesem weg verschoben und wird in diesem Zustand, beispielsweise durch Verknüpfung mehrerer, durch Phasenverschiebung veränderter Interferenzen untereinander, ein Phasenbild erhalten, kann aus beiden erhaltenen Phasenbildern ein Phasendifferenzbild bestimmt werden. Das Phasendifferenzbild gibt Aufschluss über lokale Verschiebungen oder Verformungen und kann zur Anzeige gebracht werden. Dazu wird dem jeweiligen Phasendifferenzwinkel des Bildpunkts ein Grauwert zugeordnet, der auf einer Wiedergabeeinrichtung an der betreffenden Stelle angezeigt wird. Beispielsweise wird einem Phasendifferenzwinkel von Null der Anzeigewert schwarz und dem Phasendifferenzwinkel von 2π der Grauwert weiß zugeordnet.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung werden die Phasendifferenzwinkel, bevor sie zur Anzeige gebracht werden, 2π/n-moduliert. Dazu werden die Differenzwinkel des Phasendifferenzbildes punktweise einer Modulo 2π/n-Division unterworfen. Dies bedeutet, dass der Phasendifferenzwinkel durch 2π/n dividiert wird und der verbleibende Rest den Ergebniswert bil det. Dieser Ergebniswert wird mit dem Faktor n multipliziert und ergibt den 2π/n-modulierten Wert, der im Wertebereich von Null bis 2π/n mit Grauwerten zwischen schwarz und weiß zur Anzeige gebracht wird. Bedarfsweise kann auch eine farbige Anzeige gewählt werden. Der Faktor n ist dabei vorzugsweise eine ganze Zahl größer 1. Dies ergibt eine Verstärkung der in dem Phasendifferenzbild vorhandenen und sichtbaren Objektverformungen und somit eine deutlichere Erkennbarkeit von Fehlstellen an dem Objekt.
Es ist alternativ möglich, die Phasendifferenz oder die 2π/n-modulierten Werte der Phasendifferenzen mit einer Sinusfunktion zu modulieren und den erhaltenen Wert zur Anzeige zu bringen. Es ergibt sich dann ein Streifenmuster, das die Objektverformung kennzeichnet. Je höher n gewählt wird, desto höher ist die Auflösung, das heißt desto mehr Streifen entfallen auf eine bestimmte Objektverformung. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn der Bediener den Faktor n durch geeignete Eingabemittel wählen kann. Der Faktor kann beispielsweise auch nach einer Bildaufnahme umgeschaltet werden, um ein und denselben Testlauf, das heißt die gleiche Objektverformung, mit unterschiedlichen Modulationen darstellen zu können.
Die Erfindung ist für Prüfobjekte mit diffus streuender Oberfläche geeignet und ergibt eine bildhafte Darstellung von Phasendifferenzwinkeln. Dies gestattet dem Bediener ein leichtes Erkennen von Strukturfehlern im vermessenen Objekt. Dabei ist die Erfindung für beliebige Prüfobjekte beziehungsweise Fehlergrößen anwendbar und erfordert einen geringen Rechenaufwand, so dass die Ergebnisdarstellung quasi in Echtzeit gewährleistet ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der anzuzeigende Wert so skaliert, dass der darstellbare Grauwertbereich des Bildverarbeitungssystems vollständig ausgenutzt wird. Zur Verbesserung der Sichtbarkeit von Fehlstellen kann der einem Winkel der Größe Null entsprechende Grauwert oder Farbwert vom Benutzer interaktiv eingestellt werden.
Das 2π/n-modulierte Phasendifferenzbild kann auch unmittelbar aus den phasenverschobenen Intensitätsbildern einer ersten Aufnahmeserie bei einem ersten Objektzustand und einer zweiten Serie phasenverschobener Aufnahmen (Intensitätsbildern) bei einem zweiten Objektzustand gewonnen werden. Die Gleichungen zur 2π/n-Modulation werden dazu in die Gleichungen zur Erzeugung der Phasendifferenzbilder aus den Intensitätsbildern eingesetzt.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung von Verformungen an einer Objektoberfläche in schematisierter Darstellung;
2 eine Beleuchtungseinheit und eine von dieser beleuchtete Objektoberfläche zur interferometrischen Auswertung von Oberflächenverformungen in schematisierter Prinzipdarstellung;
3 eine Objektoberfläche mit einem auf sie fallenden Leuchtfleck einer Beleuchtungseinheit nach 2;
4 einen Messkopf der Vorrichtung nach 1 in schematisierter gesonderter Darstellung;
5 Grauwerte G in Abhängigkeit von Phasendifferenzwinkeln Δφ bei unterschiedlichen Modulationen;
6 ein 2π-moduliertes Bild einer Objektoberfläche;
7 ein 2π/n-moduliertes Fehlstellenbild der gleichen Objektoberfläche mit n = 4,
8 ein sinustransformiertes moduliertes Phasendifterenzbild und
9 eine weitere Ausführungsform des Messkopfes in schematischer Darstellung.
In 1 ist ein Messsystem zur Verformungsmessung an einem Prüfobjekt 1 mittels Shearing-Interferometrie dargestellt. Zur Beleuchtung des Prüfobjekts 1, das beispielsweise ein Reifen, anderweitige Gummiteile oder ein sonstiger Gegenstand sein kann, dient eine Beleuchtungseinheit E, die mehrere Laserdioden 2, 3 aufweist. In 2 ist dabei die Beleuchtung der Oberfläche des Prüfobjekts 1 näher veranschaulicht. Die schematisch dargestellte Beleuchtungseinheit E weist außer den Laserdioden 2, 3 weitere Laserdioden 4, 5, 6 auf, die jeweils für sich einen Lichtkegel 2a, 3a, 4a, 5a, 6a erzeugen. Die Lichtkegel 2a bis 6a fließen ineinander, so dass sie sich an der Objektoberfläche 1 mehrfach überlappen. Es entsteht insgesamt ein Leuchtfleck 7, der weitgehend gleichmäßig ausgeleuchtet ist. Eine willkürlich herausgegriffene Stelle S wird von mehreren Lichtkegeln 4a, 5a, 6a beleuchtet, die gleiche oder auch unterschiedliche Öffnungswinkel aufweisen können. Das Licht der betreffenden Laserdioden 4, 5, 6 hat im Wesentlichen die gleiche Wellenlänge, ist jedoch zueinander nicht kohärent. Gleiches gilt für das rückgestreute Licht.
Zur Beobachtung der Oberfläche des Prüfobjekts 1 dient ein Messkopf 8, der an einer Bildauswerteeinheit 9 angeschlossen ist. Zu dieser gehören ein Computer 10 und ein Monitor 11 sowie eine Eingabeeinrichtung, beispielsweise eine Tastatur 12. Der Messkopf 8 enthält ein Interferometer 14, das über ein Objektiv 15 von der Objektoberfläche rückgestreute Lichtstrahlung erhält.
In 3 ist nochmals ein Leuchtfleck 7 veranschaulicht, der aus mehreren, sich gegenseitig stark überlappenden Teilleuchtflecken 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g, 7h, 7i gebildet ist. Teile des Leuchtflecks 7 sind von bis zu vier unterschiedlichen Laserdioden beleuchtet. Die Strahlauffächerung kann auch größer gewählt werden, so dass jede Laserdiode nahezu den gleichen Leuchtfleck 7 ausleuchtet. Die Ausleuchtung kann dabei aus unterschiedlichen Raumwinkeln heraus vorgenommen werden, so dass sich eine gleichmäßige Verteilung gestreuten Lichts im Raum und eine gleichmäßige Fleckausleuchtung ergibt.
Das in 4 veranschaulichte Interferometer 14 ist als Michelson-Interferometer ausgebildet. Das Objektiv 15 weist einen Öffnungswinkel α auf, mit dem die Objektoberfläche aufgenommen wird. Dabei ist die Anordnung vorzugsweise so getroffen, dass der Leuchtfleck 7 das Gesichtsfeld des Objektivs 15 relativ genau ausfüllt. Bedarfsweise können jedoch auch Abweichungen vorhanden sein. Das Objektiv 15 enthält vorzugsweise eine Blende und ein nachgeordnetes Linsensystem 17, um aus dem von der Objektoberfläche rückgestreuten Licht ein Lichtbündel auszubilden. Dieses wird einem Strahlteiler 18 zugeleitet, der im Strahlengang des Linsensystems 17 angeordnet ist. Der Strahlteiler 18 teilt den ankommenden Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen auf, die nahezu rechtwinklig auf Spiegel 19, 20 treffen. Diese sind so angeordnet, dass sie den jeweiligen Teillichtstrahl im Wesentlichen in sich selbst zurückreflektieren, wobei eine gewisse Verkippung zulässig oder zur Erzeugung von Shearing-Abbildungen erforderlich ist.
Der Spiegel 19 ist ortsfest gelagert, während der Spiegel 20 durch eine, beispielsweise aus 1 ersichtliche Piezoantriebseinrichtung 21 in und gegen Strahlrichtung verstellbar ist. Der Piezoaktuator 21 ist dabei von dem Computer 10 gesteuert und dazu eingerichtet, den Spiegel 20, bezogen auf die Lichtwellenlänge, beispielsweise in λ/4-Schritten zu verstellen.
Der Strahlteiler 18 führt die von den Spiegeln 19, 20 reflektierten Teilstrahlen wieder zusammen und über ein Abbildungsobjektiv 23 einer Kamera 24 zu. Die Kamera 24 enthält als Bildsensor eine CCD-Matrix 25 und die entsprechenden Elektronikbausteine zur Ansteuerung derselben. Die Kamera 24 ist mit dem Computer 10 verbunden.
Das insoweit beschriebene Messsystem arbeitet wie folgt:
Zur Bestimmung von Objektfehlstellen wird das Prüfobjekt 1 vor dem Messkopf 8 platziert und mit den Laserdioden 2, 3, 4, 5, 6 beleuchtet. Die Laserdioden 2, 3, 4, 5, 6 können dabei im Dauerbetrieb betrieben werden, das heißt gleichzeitig dauernd leuchten. Auf dem Prüfobjekt 1 wird dadurch der Leuchtfleck 7 erzeugt, der auf den auf Fehlstellen zu untersuchenden Bereich fällt. Ohne dass das Prüfobjekt 1 in irgendeiner Weise merklich bewegt würde, werden nun mehrere Bilder von der Objektoberfläche aufgenommen. Dazu wird bei gegebener Positionierung der Spiegel 19, 20 zunächst ein erstes Bild aufgenommen und abgespeichert. Das von dem Bildsensor 25 erfasste Bild ist ein Interterenzmuster der Objektoberfläche, das stochastisch verteilte helle, dunkle und graue Bereiche, so genannte "Speckles" enthält. Ist das Bild aufgenommen, steuert der Computer 10 den Spiegel 20 so an, dass er um einen bekannten Betrag verschoben wird. Es ergibt sich eine definierte Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilstrahlen der Spiegel 19 und 20. Das Speckle-Bild ändert sich dabei, indem die einzelnen Speckles geänderte Helligkeit annehmen. Die Speckle bleiben selbst jedoch am gleichen Ort.
Ist das Bild aufgenommen, wird eine weitere Verstellung des Spiegels 20 aufgenommen, um ein drittes Bild aufzunehmen. Ist das dritte Bild aufgenommen, wird nach einer nochmaligen Verstellung des Spiegels 20 um einen bekannten Phasenbetrag ein viertes Bild aufgenommen. Aus den vier unterschiedlichen Speckle-Bildern berechnet der Computer 10 die für jeden Speckle oder jeden Pixel gültigen Phasenwinkel.
Ist auf diese Weise das erste Phasenbild erzeugt, wird das zu prüfende Objekt 1 beispielsweise mit einer Prüfkraft beaufschlagt. Dies kann im Falle von Reifen dadurch geschehen, dass der Umgebungsdruck geändert wird. Es ergeben sich dadurch an der Oberfläche des Prüfobjekts 1 charakteristische Verformungen, die insbesondere an Fehlstellen größer sind als die Verfor mung der Umgebung. Ist das Prüfobjekt 1 verformt, werden wiederum mehrere, durch Verstellung des Spiegels 20 phasenverschobene Speckle-Bilder aufgenommen, aus denen dann die geänderten Phasenwinkel pixelweise berechnet werden. Es ergibt sich ein zweites Phasenbild. Zur Bestimmung der Oberflächenverformung wird aus beiden erhaltenen Phasenbildern nun ein Phasendifferenzbild erzeugt. Dies erfolgt bildpunkt- oder pixelweise. Es wird die Phasenwinkeldifferenz zwischen verformtem und unverformtem Zustand für jeden Bildpunkt bestimmt. Ist auf diese Weise das Phasendifferenzbild erhalten, kann es auf dem Monitor 11 zur Anzeige gebracht werden. Ein nach diesem Verfahren erzeugtes Phasendifferenzbild oder Fehlstellenbild ist in 6 wiedergegeben.
Eine Betonung der Fehlstellen wird erhalten, wenn der Computer 10 die Phasendifferenzbilder nachbearbeitet, indem aus den Phasenbildern ein 2π/n-moduliertes Phasendifferenzbild erzeugt wird. Dazu wird für jeden Bildpunkt folgende Gleichung abgearbeitet: φdiff(x,y) = n·(Δφ(x,y)MOD(2π/n))·soder: φdiff(x,y) = n·((φ2(x,y) – φ1(x,y))MOD(2π/n))·smit

Δφ(x,y):: Phasendifferenzwinkel am Punkt (x,y)
φ₁(x,y):: Phasenwinkel am Punkt (x,y) im Zustand 1
φ₂(x,y):: Phasenwinkel am Punkt (x,y) im Zustand 2
φ_diff(x,y):: Phasendifferenzwinkel mit 2π/n-Modulation am Punkt (x,y)
n:: ganze Zahl größer gleich 1
s:: Umrechnungsfaktor von Phasendifferenzwinkel in Grauwert
MOD:: Modulo-Operator.

Diese Operation ist in 5 veranschaulicht. Das Diagramm veranschaulicht die Zuordnung eines Grauwerts G zu einem Phasendifferenzwinkel Δφ an einen ausgewählten Punkt (x,y). Ohne Nachbearbeitung werden Phasendifferenzwinkelwerte zwischen Null und 2π Grauwerten entsprechend einer Geraden 30 zugeordnet. Bei einer Nachbearbeitung mit beispielsweise n = 4 werden die Phasendifferenzwinkel Δφ auf die entsprechend steileren Geraden 31, 32, 33, 34 abgebildet. Dies erfolgt, indem die vorhandenen Phasendifferenzwinkel Δφ jeweils in den von der Gerden 31 eingenommenen Bereich projiziert werden. Dazu wird der vorhandene Phasendifferenzwinkel Δφ, beispielsweise 3π/4, durch 2π/4 geteilt. Der verbleibende Divisionsrest beträgt π/4 und stellt das Ergebnis der Modulo 2π/4-Division dar. Der Divisionsrest wird nun mit n multipliziert, wobei n der Faktor ist, der den gegenüber der Geraden 30 vergrößerten Anstieg der Geraden 31 kennzeichnet. Bei dieser Darstellung wird dem Phasendifferenzwinkel π/4 der gleiche Grauwert zugeordnet wie den Phasendifferenzwinkeln 3π/4, 5π/4 und 7π/4. Das entstehende Monitorbild ist in 7 veranschaulicht. Die Fehlstelle ist als heller beziehungsweise dunkler Fleck deutlich hervorgehoben zu erkennen. Dies ermöglicht eine sichere und präzise Darstellung von Fehlstellen und vermeidet die Gefahr, dass bei der Inspektion des Objekts strukturelle Fehler wegen verwaschener Darstellung übersehen werden.
Außerdem ist es möglich, die erhaltenen Phasendifferenzwinkel Δφ oder die 2π/n-modulierten Phasendifterenzwinkel φ_diff als Argument in eine Sinusfunktion einzusetzen, um eine Sinustransformation durchzuführen. Dies muss wiederum punktweise geschehen. Die Transformation lautet: φ(x,y) → sin(φ(x,y)).
Die Amplitude der Interferenzlinien ist normiert, das heißt die Amplitude der Sinusmodulation ist im Bild unabhängig vom Ort überall konstant. Es ergibt sich ein gut lesbares Bild, insbesondere Fehlstellenbild (8). Die Anzahl der Interferenzlinien wird mit größer werdendem n ebenfalls größer.
Die Bildverarbeitungseinrichtung 9, das heißt das auf dem Computer 10 laufende Programm, kann so beschaffen sein, dass die Wahl der Modulation beispielsweise durch Eingabe des Faktors n möglich ist. Außerdem kann das Programm so beschaffen sein, dass zwischen der Wiedergabe der Phasendifferenzwinkel (mit und ohne Modulation) und der Wiedergabe eines sinustransformierten Bildes umgeschaltet werden kann.
In 1 ist ein Messkopf 8 mit Michelson-Interferometer zugrundegelegt. Abweichend davon kann ein Messkopf 8 mit einem Interferometer 14 zur Anwendung kommen (9), bei dem ein Lichtstrahl in Teilstrahlen A, B aufgeteilt wird, die erst an der CCD-Matrix 25 zu einem Interferenzbild vereinigt werden. Dies hat den Vorteil einer deutlich lichtstärkeren Abbildung. Das Interferometer 14 weist ein Aufnahmeobjektiv 41 auf, das einen Lichtstrahl auf einen Strahlteiler 42 leitet. Hier entstehen die Teilstrahlen A und B. Der Teilstrahl A wird zu einem Kippspiegel 43 weitergeleitet und etwa im rechten Winkel abgelenkt. Der Teilstrahl B trifft zunächst auf einen mit einem Antrieb, beispielsweise einem Piezoantrieb, verschiebbar gelagerten Spiegel 44, um im spitzen Winkel reflektiert zu werden. Er trifft dann auf einen weiteren, etwa parallel zu dem Spiegel 44 angeordneten Spiegel 45, so dass der Teilstrahl B, ausgehend von dem Spiegel 45, im spitzen Winkel zu dem Teil des Teilstrahls A verläuft, der von dem Kippspiegel 43 ausgeht. Beide Teilstrahlen A, B werden durch ein Abbildungsobjektiv 46 geleitet und treffen auf einen zweiachsigen Spiegel 47. Der zweiachsige, als Winkelspiegel ausgebildete Spiegel 47 lässt nun beide Teilstrahlen A, B auf ein und dieselbe Stelle 48 des Bildsensors 25 fallen. Das hier durch Interferenz der Teilstrahlen A und B entstehende Muster wird von dem Bildsensor 25 erfasst und an den Computer 10 weitergeleitet. Der Computer 10 steuert außerdem den Antrieb des verschiebbaren Spiegels 44, um eine Phasenmodulation herbeizuführen, was der Aufnahme der phasenverschobenen Bilder dient.
Das Messsystem dient insbesondere der Erfassung von Fehlstellen an Prüfobjekten. Das Prüfobjekt 1 wird dazu mit einer Beleuchtungseinheit E, die mehrere Laserdioden 2, 3, 4, 5, 6 enthält, gleichmäßig ausgeleuchtet. Die Lichtkegel 2a, 3a, 4a, 5a, 6a der einzelnen Laser überlappen sich stark, was eine homogene Beleuchtung auch bei großen Aufnahmewinkeln und sich ändernden Abbildungsverhältnissen durch unterschiedliche Objektgrößen und Abstände erbringt. Das Prüfobjekt 1 wird interferometrisch beobachtet. Aus einzelnen Bildern werden Phasendifferenzbilder ermittelt. Diese werden 2π/n-moduliert, wodurch insbesondere im Bereich von Fehlstellen Phasensprünge entstehen, die besonders gute Kontraste ergeben.

1: Prüfobjekt
2: Laserdiode
2a: Lichtkegel
3: Laserdiode
3a: Lichtkegel
4: Laserdiode
4a: Lichtkegel
5: Laserdiode
5a: Lichtkegel
6: Laserdiode
6a: Lichtkegel
7: Leuchtfleck
7a-i: Teilleuchtflecken
8: Messkopf
9: Bildauswerteeinheit
10: Computer
11: Monitor
12: Tastatur
14: Interferometer
15: Objektiv
17: Linsensystem
18: Strahlteiler
19: Spiegel
20: Spiegel
21: Piezoantriebseinrichtung
23: Abbildungsobjektiv
24: Kamera
25: CCD-Matrix/Bildsensor
30–34: Geraden
41: Aufnahmeobjektiv
42: Strahlteiler
43: Kippspiegel
44: Spiegel
45: Spiegel
46: Abbildungsobjektiv
47: Spiegel
48: Stelle auf Bildsensor
A: Teilstrahl
B: Teilstrahl
E: Beleuchtungseinheit
G: Grauwert
S: Stelle auf Prüfobjekt
Δφ: Phasendifferenzwinkel
φ_diff: 2π/n-modulierter Phasendifferenzwinkel
α: Öffnungswinkel
λ: Wellenlänge

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung von Verformungen an der Oberfläche eines zu prüfenden Objekts (1), insbesondere einer diffus streuenden Oberfläche, mit einer Beleuchtungseinheit (E), die eine Gruppe von Laserdioden (2, 3, 4, 5, 6) aufweist, die jeweils für sich einen Lichtkegel (2a, 3a, 4a, 5a, 6a) erzeugen, wobei die Laserdioden (2, 3, 4, 5, 6) so angeordnet sind, dass die Lichtkegel (2a, 3a, 4a, 5a, 6a) ineinander fließen und sich auf der Oberfläche des zu prüfenden Objekts (1) überlappen, um einen gemeinsamen Leuchtfleck (7) auf der Oberfläche des zu prüfenden Objekts (1) zu erzeugen; einem Messkopf (8), der ein Interterometer (14) aufweist, wobei durch das Interferometer (14) aus dem von der Oberfläche des zu prüfenden Objekts (1) rückgestreuten Licht ein Interferenzbild erzeugbar ist, und einem elektronischen Bildsensor (25), der in dem Strahlengang des Interferometers (14) so angeordnet ist, dass das Interterenzbild von dem Bildsensor (25) erfassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden (2, 3, 4, 5, 6) so angeordnet sind, dass mehr als die Hälfte der Fläche des Leuchtflecks (7) von wenigstens zwei Laserdioden (2, 3, 4, 5, 6) beleuchtbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden (2, 3, 4, 5, 6) so angeordnet sind, dass jeder Punkt des Leuchtflecks (7) in dem von dem Bildsensor erfassten Bereich von wenigstens zwei Laserdioden (2, 3, 4, 5, 6) beleuchtbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtfleck (7) wenigstens einen, vorzugsweise mehrere Bereiche aufweist, die von dem Licht von mehr als zwei Laserdioden (2, 3, 4, 5, 6) beleuchtet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtfleck (7) eine weitgehend gleichmäßige Helligkeitsverteilung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das von den Laserdioden (2, 3, 4, 5, 6) emittierte Licht zwar annährend die gleiche Wellenlänge hat, aber nicht kohärent ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden (2, 3, 4, 5, 6) derart ansteuerbar sind, dass sie gleichzeitig, vorzugsweise im Dauerbetrieb, leuchten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden (2, 3, 4, 5, 6) derart ansteuerbar sind, dass sie pulsieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden (2, 3, 4, 5, 6) derart angeordnet oder ansteuerbar sind, dass das Licht der Laserdioden (2, 3, 4, 5, 6) zeitlich versetzt auf die Oberfläche des zu prüfenden Objekts (1) trifft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden (2, 3, 4, 5, 6) gruppenweise angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (25) an eine Bildauswerteeinrichtung (9) angeschlossen ist, die anhand mehrerer aufgenommener Interferenzbilder eine Verformung der Oberfläche des zu prüfenden Objekts (1) bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (14) eine Einrichtung (19, 20, 43, 44, 45) zur Phasenverschiebung zweier Teilstrahlen (A, B) gegeneinander aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildauswerteeinrichtung (9) eine Recheneinheit (10) aufweist, die dazu eingerichtet ist, aus mehreren von dem Objekt (1) in unterschiedlicher Phasenlage aufgenommenen Bildern ein Phasenbild zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (10) dazu eingerichtet ist, aus wenigstens zwei unterschiedlichen, vorzugsweise in unterschiedlichen Objektzuständen gewonnenen, Phasenbildern ein Phasendifferenzbild durch Subtraktion des einem ersten Objektzustand zugeordnete Phasenwinkels φ₁(x,y) eines Bildpunktes (x,y) von dem einem zweiten Objektzustand zugeordneten Phasenwinkel φ₂(x,y) des gleichen Bildpunkts (x,y) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (10) die Phasendifferenzwinkel Δφ(x,y) punktweise modulo 2π/n dividiert und das Ergebnis mit einem Faktor n multipliziert sowie den erhaltenen Wert bereithält.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass n eine ganze Zahl ist, die größer oder gleich 1 ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (10) die Phasendifferenzwinkel Δφ(x,y) oder die 2π/n-modulierten Phasendifferenzwinkel φ_diff bildpunktweise als Argument in eine Sinusfunktion einsetzt und den erhaltenen Wert bereithält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (10) mit einer Anzeigeeinrichtung (11) verbunden ist, durch die der bereitgehaltene Wert anzeigbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (14) nach Art eines Michelson-Interferometers aufgebaut ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (14) einen Strahlteiler (18) aufweist, der das von der Oberfläche des zu prüfenden Objekts (1) kommende Licht in zwei Teilstrahlen (A, B) aufteilt, wobei vorzugsweise die Teilstrahlen (A, B) bis zu dem Bildsensor (25) unterschiedliche Wege durchlaufen und sich auf dem Bildsensor (25) zur Erzeugung eines Interferenzmusters treffen.