DE4203272C2 - Verfahren zur phasenempfindlichen Darstellung eines effektmodulierten Gegenstandes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur phasen­ empfindlichen Darstellung eines effektmodulierten Gegenstandes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2, wie aus der US-PS 47 92 683 bekannt.

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 Ka­ librierverfahren 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 Infrarotradiometrie entwickelt (P.-E. Nordal, S. O. Kanstad, Physica Scripta 20, (1979) S. 659-662), bei der durch intermittierende fokussierte Beleuchtung eine Temperaturmodulation erzeugt wird, die sich als Wärmewelle ins Prüflingsinnere ausbreitet. Diskontinuitäten füh­ ren zu einer Störung des Wärmetransports und damit zu einer wei­ teren Phasenverschiebung zwischen Infrarotsignal und optischer An­ regung. Wesentlich ist dabei, daß dieser mit Lock-in-Technik er­ mittelte Phasenwinkel weder von der optischen Absorption noch vom Infrarotemissionskoeffizienten im Oberflächenbereich abhängt (A. Rosencwaig, G. Busse, Appl. Phys. Lett. 36, (1980) S. 725-727), 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 der Fehlererfassung von der Mo­ dulationsfrequenz abhängt, so daß durch Frequenzvariation Tiefen­ profile möglich sind (G. Busse, A. Rosencwaig, Appl. Phys. Lett. 36, (1980) S. 815-816). Solche Untersuchungen erfolgten auch durch G. Busse in einer Transmissionsanordnung (DE 30 34 944 A1). Alle bis­ her genannten Messungen dauern jedoch lange, denn an jedem Raster­ punkt muß die Wärmewelle erneut erzeugt werden, und nach dem Ab­ warten des jeweiligen 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.

Einen anderen Ansatz verfolgen Chang, Berg, Drummond und Mickelson (eingangs genannte US-PS 4,792,683). Zur Untersuchung von Lötpunkten auf Platinen verwenden sie eine breitflächige Beleuchtung, als Detektor setzen sie eine Thermographiekamera ein. Diese beobachtet bei angehaltener Scaneinrichtung oder mit einem Zoom jeweils einen Lötpunkt und untersucht das mittlere Bildsignal mit Lock-in-Technik. Deswegen liegt auch hier prinzipiell eine einkanalige serielle Messung vor mit den oben erwähnten Nachteilen.

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 (1985) S. 305-313) oder einen mit dem Abtastvorgang mitgeführten Laserstrahl (Y. Q. Wang, P. K. Kuo, L. D. Favro, R. L. Thomas; "Photoacoustic and Photothermal Phenomena 11, Springer Ser. Opt. Sci. 62 (1990) S. 24-26). Beide Wege können aber die oben beschriebenen Vorteile der Phasenwinkel­ messung 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 kenn­ zeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 2. 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 Lock-in-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 vier 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 beschriebene 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 (DE 30 34 944 A1). Dazu eignen sich insbesondere 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 Eliminie­ rung ihres Infrarotspektrums in Wasser betrieben wird. Die Thermographiekamera besteht aus einem Infrarotdetektor I, einer Abbildungsoptik O (z. B. aus Germanium) und einer Rastervorrichtung S. Diese wird vom Rechner R 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 (17)

1. Verfahren zur phasenempfindlichen Darstellung eines effekt­ modulierten Gegenstandes mit folgenden Schritten

• - flächenhafte modulierte Anregung des Gegenstandes zur Erzeugung einer Modulation lokaler physikalischer Kenngrößen,
• - Abtasten des Gegenstandes mit einer Bildfolgefrequenz, die höher ist als die Modulationsfrequenz,
• - Bestimmung von Phasenwinkel und Amplitude der Modu­ lation der physikalischen Kenngrößen,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß die Bestimmung von Phasenwinkel und Amplitude der Mo­ dulation der physikalischen Kenngrößen für jeden Punkt des Gegenstandes gesondert erfolgt, wobei während eines Modulationszyklus jedes einzelne Bildelement mehrmals abgefragt wird.

2. Verfahren zur phasenempfindlichen Darstellung eines effektmodulierten Gegenstandes mit folgenden Schritten

• - flächenhafte modulierte Anregung des Gegenstandes zur Erzeugung einer Modulation lokaler physikalischer Kenngrößen,
• - Abtasten des Gegenstandes mit einer Bildfolgefrequenz, die höher ist als die Modulationsfrequenz,
• - Bestimmung von Phasenwinkel und Amplitude der Modulation der physikalischen Kenngrößen dadurch gekennzeichnet,
• - daß die Bestimmung von Phasenwinkel und Amplitude der Modulation der physikalischen Kenngrößen für jeden Punkt des Gegenstandes gesondert erfolgt, wobei während ent­ sprechender Segmente aufeinanderfolgender Modulations­ zyklen jedes einzelne Bildelement mehrfach abgefragt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je Modulationszyklus 3 oder 4 Bilder aufgenommen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Kenngröße die Temperaturverteilung ist, die mit einer Thermographiekamera aufgenommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturverteilung des Gegenstandes berührungs­ los durch modulierte Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen erfolgt.

6. Verfahren nach Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermographiekamera störende Infrarotanteile des Spektrums der Bestrahlung durch Infrarotfilter oder durch Betrieb unter Wasser eliminiert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die modulierte Anregung und die beobachtende Abbildung auf verschiedenen Seiten des Gegenstandes erfolgen.

8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation der Temperaturverteilung des Gegen­ standes durch einen Gasstrom oder einen Flüssigkeitsstrom erfolgt.

9. Verfahren nach Ansprüchen 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation der Temperaturverteilung elektrisch, nämlich resistiv, kapazitiv oder induktiv durch von außen angebrachte oder im Inneren des Gegenstandes aktivierte Heizquellen erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation der Temperaturverteilung durch os­ zillierende mechanische Belastung des Gegenstandes erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die modulierte physikalische Kenngröße die Geometrie des Gegenstandes ist, die mit einer Holographie-, Speckle- oder Shearographieeinrichtung erfaßt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation der Geometrie des Gegenstandes durch modulierte Quellung des Gegenstandes infolge seiner modu­ lierten Beaufschlagung mit Gasen oder Flüssigkeiten erfolgt.

13. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-12 bei der optischen Mikroskopie.

14. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-12 bei der Elektronenmikroskopie.

15. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-12 bei der akustischen Mikroskopie.

16. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-12 bei der Tomographie.

17. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-12 bei der Mikrowellenabbildung.