DE4203272A1

DE4203272A1 - Verfahren zur phasenempfindlichen effektmodulierten rasterabbildung

Info

Publication number: DE4203272A1
Application number: DE19924203272
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Busse Gerd Prof Drrernat 7252 Weil Der Stadt De
Current assignee: Busse Gerd Prof Drrernat 7252 Weil Der Stadt De
Priority date: 1992-02-05
Filing date: 1992-02-05
Publication date: 1993-08-12
Anticipated expiration: 2012-02-06
Also published as: DE4203272C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Abbildungsverfahren, das trotz tieffrequenter Effektmodulation eine kurze Bildaufbauzeit ermöglicht.

Rasterbildverfahren haben in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Bekannte Beispiele sind Thermographie, Elektronen mikroskopie und - in neuerer Zeit - Tomographie. Dieser Auf schwung wurde insbesondere durch die Verbesserung von Auf nahme- und Auswertungsmedien ermöglicht, also im wesentlichen im Rechnerbereich durch Hard- und Software.

Der Kontrastmechanismus, der solchen Bildern zugrundeliegt, hängt im allgemeinen nicht nur von der physikalischen Eigen schaft ab, an deren schneller Erfassung man interessiert ist, sondern von einem Eigenschaftsensemble. Daher besteht hohes Interesse an der Reduktion der Einflußparameter, wobei Eich verfahren nicht immer zielführend sind.

Die Situation wird im folgenden am Beispiel der Thermographie erläutert, die als schnelles Rasterbildverfahren zum Erfassen von Bauteildefekten eingesetzt wird, wobei man vorzugsweise instationäre Wärmeleitungsvorgänge ausnutzt. Der Kontrast mechanismus, die Änderung der thermischen Infrarotemission, enthält (aufgrund des Stefan-Boltzmann-Gesetzes) neben der interessierenden Ortsabhängigkeit der Temperatur auch die des Emissionskoeffizienten und, sofern die Wärmezufuhr durch Absorption zugeführter Strahlung erfolgt, auch noch die Ortsabhängigkeit des zugehörigen Absorptionskoeffizienten. Diese Beimischung störender Strukturen behindert die für die Qualitätssicherung (z. B. Turbinenschaufeln, Wärmedämmung im Bauwesen) relevante bildhafte Erfassung von Wärmeleitungsvor gängen, die zur Erfassung verborgener Fehler führt.

Schon früh wurde deswegen die photothermische Infrarotradio metrie entwickelt (P.-E. Nordal, S.O. Kanstad, Phys. Scripta 20, 659, (1979)), bei der durch intermittierende fokussierte Beleuchtung eine Temperaturmodulation erzeugt wird, die sich als Wärmewelle ins Prüflingsinnere ausbreitet. Diskontinuitäten führen zu einer Störung des Wärmetransportes und damit zu einer weiteren Phasenverschiebung zwischen Infrarotsignal und opti scher Anregung. Wesentlich ist dabei, daß dieser mit Lockin- Technik ermittelte ermittelte Phasenwinkel weder von der opti schen Absorption noch vom Infrarotemissionskoeffizienten im Oberflächenbereich abhängt (A. Rosencwaig, G. Busse, Appl. Phys. Lett. 36, 725 (1980)), so daß tatsächlich durch sukzessive punktweise Messung nur die relevanten Strukturen erfaßt werden, nämlich die der thermischen Eigenschaften. Die Attraktivität dieses Verfahrens beruht auch darauf, daß die Tiefenreichweite bei der Fehlererfassung von der Modulationsfrequenz abhängt, so daß durch Frequenzvariation Tiefenprofile möglich sind (G. Busse, A. Rosencwaig, Appl. Phys. Lett. 36, 815 (1980)). Diese Messungen dauern jedoch lange, denn an jedem einzelnen Rasterpunkt muß die Wärmewelle erneut erzeugt werden, und nach dem Abwarten des je weiligen Einlaufverhaltens wird über etliche Perioden dieser niederfrequenten Modulation der Phasenwinkel ermittelt. Die Bildaufbauzeit ist also deutlich größer als das Produkt aus der Periodendauer dieser Modulation und der Anzahl der Bildelemente.

Es hat deswegen nicht an Versuchen gefehlt, die schnelle Raster fähigkeit der Thermographie mit der optischen zeitabhängigen An regung zu verbinden. Man verwendete beispielsweise kurze Laser pulse (A. C. Tam, Infrared Phys. 25, 305 (1985)) oder einen mit dem Abtastvorgang mitgeführten Laserstrahl ("flying spot", Y.Q. Wang, P.K. Kuo, L.D. Favro, R.L. Thomas; "Photothermal Pheno mena II", Springer Ser. Opt. Sci. 62, 24 (1990)). Beide Wege können aber die oben beschriebenen Vorteile der Phasenwinkelmessung weder ausnutzen noch ersetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, schnelle Rasterbildver fahren mit niederfrequenter Effektmodulation zu kombinieren und dadurch parameterbereinigte Phasenbilder zu erzeugen. Ein Bei spiel ist die Erzeugung von Phasenwinkelbildern tieffrequenter thermischer Wellen mittels schneller Thermographieabrasterung.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und Anwendungen sind in den Unter ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß die Wärmewelle nicht mehr sukzessiv und ausschließlich im jeweiligen Raster punkt erzeugt wird, sondern simultan im ganzen Bildbereich, so daß während eines Modulationszyklus wiederholt (mindestens drei Mal) viele Bildelemente abgefragt werden und daß auf jedes Bild element der dabei abgelegten Bildfolge eine zeitliche Signal analyse angewendet wird, die den lokalen Phasenwinkel bezüglich der Modulation ermittelt.

Das Verfahren wird beispielhaft an seiner Anwendung auf die Thermographie erläutert, wobei offensichtlich ist, daß die Be sonderheiten der so erhaltenen "phasenempfindlichen Modulations thermographie" oder "Wärmewellenthermographie" auch auf andere Rasterbildverfahren mit entsprechendem Vorteil zu übertragen sind.

Zum Verständnis des Verfahrens sei daran erinnert, daß die Er mittlung von Amplitude und Phase effektmodulierter Signalver läufe üblicherweise mittels eines Lockin-Verstärkers erfolgt, der den gemessenen Signalverlauf jeweils mit zwei um 90° ver setzten kohärenten Referenzsignalen multipliziert und integriert. Diese Signalverarbeitung kann auch ein Rechner übernehmen. Für sinusartige Modulation und digitale Datenanalyse läßt sich die ser Prozeß dahingehend vereinfachen, daß bereits mit drei Da tenpunkten pro Modulationszyklus der Phasenwinkel zu bestimmen ist, die Verwendung einer größeren Datenanzahl erhöht ledig lich die Genauigkeit. Werden während eines Modulationszyklus an einem Bildelement x₁ 4 zeitlich äquidistante Signalwerte S₁(x₁), . . . S₄(x₁) ermittelt, so ist der Phasenwinkel ϕ an diesem Bildelement gegeben durch

die Amplitude ist gegeben durch

dabei ist x₁ ein willkürliches Element aus dem Laufindex x der Bildelemente.

Wird das von einer Thermographiekamera beobachtete Prüfobjekt von einer sinusartig intensitätsmodulierten Lichtquelle be leuchtet, so stellt sich absorptionsbedingt nach anfänglichem Übergangsverhalten (B. Rief, VDI Fortschrittsberichte, Reihe 5, Nr. 145 (1988)) eine Temperaturmodulation an der Oberfläche und im Inneren des Prüfobjektes ein, die sich als Wärmewelle ausbreitet. Ein schnelles ortsaufgelöst abrasterndes Radio meter (= Thermographiekamera) erfaßt nacheinander die Modu lationsphase aller einzelnen Bildelemente x, wobei die zeitliche Verzögerung beim Erfassen benachbarter Bildelemente einem Phasenwinkel entspricht, der aus Modulations- und Bilddaten zu bestimmen ist. Er führt letztlich zu einer in x linearen Korrektur des Phasenbildes. Werden pro Beleuchtungszyklus 4 Thermographiebilder aufgenommen (s. Bild 1), so hat man für jedes Bildelement 4 Signalwerte, aus denen gemäß Gl.1 die lokale Phase ϕ und daraus nach Abzug der in x linearen ver zögerungsbedingten Korrektur die auf die niederfrequente Effekt modulation bezogene absolute Phase bestimmt wird. Die Er fassung vieler Bildelemente während eines Modulationszyklus (Multiplexvorteil) erlaubt also den Aufbau eines Phasenbildes während einer einzigen Periodendauer, wenngleich die Mittelung über mehrere Zyklen zur Rauschreduzierung sinnvoll ist.

Die Gesamtheit der lokalen Mittelwerte der Bilder S₁ bis S₄ entspricht dem klassischen Thermographiebild mit durch stati sche optische Beleuchtung angeregtem Wärmefluß. Dieses Bild wird durch die Intensitätsverteilung der optischen Be leuchtung und die Absorption sowie durch den Infrarot emissionskoeffizienten beeinflußt, aber auch durch die Tem peraturverteilung. Ähnlich verhält es sich mit dem Ampli tudenbild (Gl. 2). Hingegen enthält das Phasenbild wegen der Quotientenbildung (Gl. 1) nur noch die Temperaturmodu lation, ist also auf die für den Wärmetransport relevante Meßgröße reduziert. Inhomogenität der Beleuchtung oder der Absorptions- oder Emissionseigenschaften äußert sich nur noch durch inhomogen verteiltes Rauschen im Phasenwinkel bild. Das patentgemäße Verfahren wurde mit der in Bild 2 gezeigten Anordnung erprobt, wobei eine konventionelle Pro jektorlampe (15 V, 150 W) als sinusartig modulierte Licht quelle zum Einsatz kam. Hierbei ist als wesentlich zu be achten, daß "Übersprechen" im infraroten Spektralbereich ver mieden wird, daß also die Thermographiekamera nicht von mo dulierten Infrarotanteilen der Lampe erreicht wird. Sehr wirksame Infrarotfilterung ist z. B. mit einer Wasserschicht zu erreichen, wobei die Niederspannungslampe direkt im Wasser betrieben werden kann.

Folgende Befunde bestätigen, daß die mit diesem Verfahren er haltenen Phasenbilder die bekannten Vorteile der Wärmewellen bilder besitzen:

a) Die Modulationsfrequenz bestimmt die Tiefenreichweite. Eine Rechtecknut an der Rückseite einer CFK-Probe mit variablem Abstand zur Frontseite wurde bis zu der aus Wärmewellenmessungen bekannten Tiefe erfaßt. Durch Messungen bei unterschiedlichen Frequenzen erhält man die vollständige Tiefeninformation der thermischen Struk turen im Sinne einer Wärmewellentomographie.
b) Eine CFK-Probe mit einer Rückseitennut als thermischer Struktur und einem weißen Frontseitenstreifen als optischer und Infrarotstruktur zeigt im Amplituden- und Thermographie bild eine Mischung beider Strukturarten, im Phasen winkelbild hingegen nur die relevante thermische Struktur.

Auch die transmittierte Wärmewelle kann zur Strukturabbildung verwendet werden (G. Busse, DBP 30 34 944). Dazu eignen sich ins besondere platten- oder flächenhafte Prüfobjekte. In dem Fall wird die periodische Beleuchtung auf der der Thermo graphiekamera entgegengesetzten Seite aufgebracht.

Am Beispiel der phasenempfindlichen Modulationsthermographie wurde die Kombination aus Effektmodulation und Rasterabbildung demonstriert, wobei der Vorteil in der Parameterreduktion liegt. Die Übertragung auf andere Modulationsarten (z. B. Modulation durch periodische elektrische Beheizung) und an dere Bildregistriereinrichtungen ist für den Fachmann nahe liegend, wobei die jeweilige Anregungskorrelation die Reduktion des Rasterbildes auf die signifikanten Bildgrößen erlaubt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Skizzen erläutert. Es zeigen

Bild 1 das Verfahrensprinzip der phasenempfindlichen Thermo graphie,

Bild 2 einen Versuchsaufbau zur Verfahrensanwendung.

Während eines Intensitätsmodulationszyklus (Bild 1, Kurve I und Intervall T) der Lampe erfolgen 4 Bildrastervorgänge, bei denen jeweils alle Bildkoordinaten x durchlaufen werden. Die dabei an der Koordinate x₁ erfaßten Infrarotsignale sind durch 4 Kreise auf der S(t)-Kurve dargestellt, die sich für x₁ aus den Meßsignalen ergibt. Bild 2 zeigt schematisch eine Thermographieeinrichtung und eine mit sinusförmiger In tensitätsmodulation betriebene Halogenlampe, die zur Elimina tion ihres Infrarotspektrums in Wasser betrieben wird. Die Thermographiekamera besteht aus I=Infrarotdetektor, O= Infrarotabbildungsoptik (z. B. aus Germanium) und S= Rastervorrichtung. Diese wird von R=Rechner mit der Steuerung der Lampe L koordiniert, die sich in einem den infraroten Spektralbereich abblockenden Wasserbad W be findet. Ihre auf das Prüfobjekt P gerichtete intensitäts modulierte Strahlung erzeugt dort eine Temperaturmodu lation und eine dadurch verursachte Modulation der thermischen Infrarotemission, die ortsaufgelöst und phasenempfindlich erfaßt wird. Der Rechner R ermittelt aus den 4 Bildern S₁ bis S₄ gemäß Gl.1 das Phasenwinkelbild ϕ (x), bei Bedarf auch nach Gl.2 das Amplitudenbild A(x) und als Mittelwert der 4 Bilder das Thermographiebild.

Claims

1. Verfahren zur phasenempfindlichen effektmodulierten Multiplex-Rasterabbildung, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdauer pro Bildelement wesentlich kürzer ist als die Zyklusdauer der Modulation, so daß während eines Zyklus (oder während entsprechender Segmente aufeinanderfolgender Zyklen) jedes von mehreren Bildelementen mehrfach ab gefragt wird zur Berechnung von Phasenwinkel und Ampli tude des lokalen Modulationseffektes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vereinfachung der Auswertung pro Bildelement drei oder vier zeitlich äquidistante Auswertedaten pro Zyklus benutzt werden.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Prüfobjekt abrasternde Vorrichtung eine Thermographiekamera ist ("Phasenempfindliche Modulations thermographie", "Wärmewellenthermographie", "Lockin- Thermographie").

4. Verfahren nach Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Prüfobjektes berührungslos durch Absorption elektromagnetischer Strahlung moduliert wird.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermographieeinrichtung störende Infrarotanteile des Spektrums der Strahlungsquelle durch Infrarotfilter oder durch Betrieb unter Wasser eliminiert werden.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Effektmodulation beaufschlagte Seite und die von der Rasterabbildungseinrichtung beobachtete Seite des Prüfobjektes verschieden sind.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1-3 oder 5-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Prüfobjektes durch einen Gasstrom oder Flüssigkeitsstrom moduliert wird.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1-3 oder 5-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmodulation elektrisch (direkt, kapazitiv oder induktiv) durch von außen angebrachte oder im Prüf lingsinneren aktivierte Heizquellen erfolgt.

9. Verfahren nach Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Wärmeerzeugung unter Ausnutzung des mechanischen Verlustwinkels bei Schwingungsbeaufschlagung des Prüfobjektes erfolgt ("Lockin- Vibrothermographie").

10. Verfahren nach Ansprüchen 1-2, 4 oder 6-9, dadurch gekennzeichnet, daß die das Prüfobjekt abrasternde Einrichtung die Modu lation der Abmessungen erfaßt (Holographie-, Speckle- oder Shearographieeinrichtung).

11. Verfahren nach Ansprüchen 1-2, 4 oder 6-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation der Abmessungen des Prüfobjektes nicht thermisch erzeugt wird, sondern durch modulierte Quellung infolge modulierter Beaufschlagung mit Gasen oder Flüssig keiten.

12. Verfahren nach Ansprüchen 1-2, 4 oder 6-11, dadurch gekennzeichnet, daß die das Prüfobjekt abrasternde Einrichtung ein optisches Mikroskop ist.

13. Verfahren nach Ansprüchen 1-2, 4 oder 6-11, dadurch gekennzeichnet, daß die das Prüfobjekt abrasternde Einrichtung ein Elektronenmikroskop ist.

14. Verfahren nach Ansprüchen 1-2, 4 oder 6-11, dadurch gekennzeichnet, daß die das Prüfobjekt abrasternde Einrichtung ein akustisches Mikroskop ist.

15. Verfahren nach Ansprüchen 1-2, 4 oder 6-11, dadurch gekennzeichnet, daß die das Prüfobjekt abrasternde Einrichtung eine Tomographieeinrichtung ist.

16. Verfahren nach Ansprüchen 1-2, 4 oder 6-11, dadurch gekennzeichnet daß die das Prüfobjekt abrasternde Einrichtung eine Mikrowellenrastereinrichtung ist.