DE4206151C2 - Vorrichtung zur Beobachtung einer Prüflingsoberfläche für die Verformungsmessung nach dem Speckle-Shearing-Verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beobachtung von Prüflingsoberflächen für die Verformungsmessung nach dem Speckle-Shearing-Verfahren, mit einer kohärenten Beleuchtung der Prüflingsoberfläche, einem Bildsensor und einem zur Abbildung der Prüflingsoberfläche auf den Bildsensor verwendeten, zwei Spiegel und einen Strahlteiler aufweisen­ den Zweistrahl-Interferometer.

Beim Speckle-Shearing-Verfahren, das u. a. im "Handbuch für Experimentelle Spannungsanalyse, Hrsg. Christof Rohrbach, VDI-Verlag 1989, S. 386-389" beschrieben ist, wird die mit kohärentem Licht beleuchtete, zu beobachtende Prüflingsober­ fläche mittels Kameraaufnahmen beobachtet, die aus zwei op­ tisch überlagerten Teilbildern bestehen, welche geringfügig gegeneinander versetzt sind. Dieser Versatz wird mit einer Doppelapertur oder einem Prisma im abbildenden optischen Sy­ stem erzeugt. Beide Ausführungen sind nicht zur Nutzung der für interferometrische Messungen eingeführten Phasenshift­ technik in Verbindung mit der elektronischen Bildauswertung geeignet. Außerdem ist keine Verstellmöglichkeit des Shear­ winkels vorgesehen.

Die DE 36 11 402 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum exakten Einstellen des Shearversatzes in einem Shearing- Interferometer-System. Der Rumpf des zugrunde liegenden Interfe­ rometers besteht aus einem Strahlteilerwürfel mit Endspiegel der beiden Interferometerarme, die als Umlenksprismen ausgebildet sind. Ebene Wellenfronten im Interferometerbereich werden durch Kollimieren des Strahlengangs erreicht. Der Shearversatz wird durch Relativverschiebung der Umlenksprismen eingestellt. Dem Interferometer-Rumpf ist ein abbildendes Linsensystem vor- und nachgeschaltet und zwar zum Erfassen der Objektoberfläche und zum Abbilden auf einen Bildsensor.

Die US 4 193 693 beschreibt den Verstellmechanismus/Ansteuerung eines Interferenz-Spektrometers, bei dem die beiden Interferometer­ arme mit Hohlspiegel abgeschlossen sind und bei welcher der eine Hohlspiegel in Strahlengangrichtung zur Veränderung des op­ tischen Laufwegs verstellbar angeordnet ist. Die verwendeten Hohlspiegel ("Katzenaugen") haben dabei den Zweck, den parallelen Strahlengang im jeweiligen Interferometerarm auf einen im Brenn­ punkt angeordneten kleinflächigen Spiegel zu fokussieren.

In Applied Optics, Vol. 14, No. 3, 1975, S. 618-622 wird die Speckle-Shearing-Interferometrie zur flächenhaften Dehnungsmessung beschrieben, wobei das Prinzip des Doppelapertur-Speckle- Interferometers zugrunde gelegt ist. Es wird mit einer 4-fach- Apertur gearbeitet, bei der sich gleichsam überlagerte, simultane Aufnahmen für 4 Shear-Richtungen ergeben. Diese Überlagerung wird beim Auswerten der Aufnahmen mit einer Fourier-Filtertechnik nach den einzelnen Shear-Richtungen aufgelöst.

Die US 4 725 144 beschreibt ein System zur vergleichenden Messung (Formtreueprüfung) der Oberflächenform optischer Elemente (z. B. Hohlspiegel). Es wird ein Twyman-Green Interferometer mit kohä­ renter Beleuchtung verwendet. Testobjekt und Vergleichsobjekt bilden die Endspiegel der beiden Interferometerarme. Um die An­ zahl der beobachteten Interferenzordnungen zu verringern, z. B. beim Vergleich einer asphärischen Optik mit einem sphärischen Hohlspiegel, sind im Referenz-Interferometerarm Verstellmechanismen am Referenzobjekt bzw. an einem Umlenkspiegel angebracht, welche diese Bauteile kontrolliert verformen.

Die Ausführungen marktgängiger Meßapparaturen benutzen eine elektronische Kamera mit einer Twyman-Green-Interferometer-Anordnung, wie sie in Ap­ plied Optics, Vol. 24, No. 14, 1985, S. 2177-2178 beschrieben ist. Sie besteht im wesentlichen aus einem Strahlteilerwürfel und zwei Planspiegeln.

Das Shearen läßt sich durch Verkippen eines der beiden Planspiegel einstellen. Phasenshiften ist vorgesehen. Es erfolgt durch Verschieben eines der beiden Planspiegel mit einem Piezotranslator. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist die sehr große Abmessung des verwendeten Teilerwürfels, die von der Apertur des Kameraobjektivs und dessen Öffnungswinkel bestimmt wird. Bei Shiftvorgang für das serielle Einlesen von phasenversetzten Teilaufnahmen wirkt sich die Masse des relativ großen Planspiegels ungünstig auf dessen Einschwingverhalten aus. Die gesamte Meßap­ paratur ist unhandlich, was bei Anwendungen im Rahmen der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung häufig stört. Der Aus­ tausch und die Verwendung von Wechselobjektiven mit unter­ schiedlichen Brennweiten ist problematisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakt auf­ baubare und vergleichsweise leichte Vorrichtung zur Beobach­ tung einer Prüflingsoberfläche für die Verformungsmessung nach dem Speckle-Shearing-Verfahren zu schaffen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Unter Hohlspiegel ist im folgenden auch eine Kombination von einem Plan- oder Konvexspiegel und einer Sammellinsenanord­ nung zu verstehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, auch an schwer zugänglichen Inspektionsorten Messungen durchzuführen, das Einschwingverhalten des Spiegels zu verkürzen und Wechselobjektive unterschiedlicher Brennweite und Bauart zu verwenden.

Eine Michelson-Interferometer-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel verfügt über Endspiegel, die als Hohlspiegel gleicher Brenn­ weite ausgebildet sind. Durch Verstellen eines Hohlspiegels quer zum Interferometerarm lassen sich Versatz und Richtung für das Shearen einstellen; durch Verstellen in Richtung des Interferometerarms lassen sich beide Teilbilder auf einen gleichen Abbildungsmaßstab justieren. Das Verstellen eines Hohlspiegels in der gleichen Richtung mittels Piezotransla­ tor um Bruchteile einer Lichtwellenlänge, ruft einen Gangun­ terschied gegenüber dem anderen Interferometerarm und damit eine Phasenänderung im Interferenz-Specklemuster auf dem Bildsensor hervor, nutzbar zur Anwendung des Phasenshift­ verfahrens.

Die Anordnung nutzt ausschließlich die beiden Hohlspiegel der Interferometeranordnung zur Abbildung der Prüflingsoberfläche auf den Bildsensor der Kamera. Die Fokussierung der aus den beiden Teilbildern bestehenden Auf­ nahme erfolgt durch Verschiebung des Bildsensors (Kamera) zum Michelson-Interferometer längs der optischen Achse.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das abbildende Sy­ stem um ein Objektiv erweitert ist, wird im folgenden an­ hand der Fig. 1 beschrieben.

Die dort dargestellte Vorrichtung mit einem Michelson- Interferometer dient zur Beobachtung des von der durch Be­ leuchtung mit kohärentem Licht von der rauhen Prüflingsober­ fläche 1 ausgehenden Specklemusters nach dem Shearing-Ver­ fahren, wahlweise unter Einbeziehung der Phasenshifttechnik. Vorzugsweise ist die Hohlspiegel/Kamera-Anordnung auf eine 1 : 1-Abbildung der vom Objektiv 2 erzeugten Zwischenabbildung der Prüflingsoberfläche 1 auf den Bildsensor 7 aus­ gelegt. Die Brennpunkte 10 und 11 der Hohlspiegel 6 und 8 können dabei selbstverständlich innerhalb des Teilerwürfels 3 zu liegen kommen, was einen sehr kompakten Aufbau ermög­ licht. Es ist zur Baugrößenminimierung zweckmäßig, die Brennweite der Hohlspiegel 6 und 8 so zu wählen, daß diese unmittelbar hinter dem Strahlteiler 3 angeordnet werden kön­ nen. Der Strahlteilerwürfel 3 weist nur eine sehr kleine Kantenlänge auf. Das Objektiv 2 ist vorteilhaft als Wechsel­ objektiv oder wahlweise auch als Varioobjektiv ausge­ staltet. Das Objektiv weist vorteilhaft eine verstellbare Blende auf, um die mittlere Specklegröße beeinflussen zu können. Werden nur Hohlspiegel als Abbildungsoptik einge­ setzt, dann ist eine separate Blende aus dem gleichen Grund zweckmäßig. Das vom Objektiv 2 austretende Licht fällt in den Teilerwürfel 3 ein. Der Strahlengang teilt sich in die beiden Interferometerarme 4 und 5 des Michelson-Interferome­ ters.

Der Strahlengang im Interferometerarm 4 läuft gegen den starren Hohlspiegel 6 und wird von dort zurück über den Teilerwürfel 3 auf den Bildsensor 7 einer Kamera geleitet und bildet auf diesen die Prüflingsoberfläche 1 ab.

Der Strahlengang im Interferometerarm 5 läuft gegen den ver­ stellbaren Hohlspiegel 8. Abweichend von einem symmetrischen Aufbau beider Interferometerarme weist dieser einen Achsver­ satz 9 auf. Das führt zu einem Kippwinkel zwischen den Hauptachsen der beiden Interferometerarme 4 und 5. Dadurch verschiebt sich das Projektionszentrum für die Abbildung auf den Bildsensor 7. Die Abbildung mit Achsversatz des Interfe­ rometerarms 5 überlagert sich der des Interferometerarmes 4 und erzeugt mit diesem zusammen die Shearingaufnahme auf dem Bildsensor 7. Der Achsversatz 9 läßt sich durch Verschieben des Hohlspiegels 8 mittels Mikrometerschrauben 13 in zwei Rich­ tungen quer zum Interferometerarm justieren. Der Achsversatz 9 gibt Größe und Richtung des Shearens vor.

Eine Verschiebemöglichkeit des Hohlspiegels 8 mittels Mikro­ meterschraube 14 in eine dritte Richtung, der Hauptrichtung des Interferometerarms, dient dem Abgleich des Abbildungsmaß­ stabs gegenüber dem anderen Interferometerarm 4. Zur Ermitt­ lung eines Phasenportraits des Specklemusters aus mehreren Einzelaufnahmen wird die Speckleabbildung durch Verschiebung des Hohlspiegels 8 in Längsrichtung zum Interferometerarm 5 um Bruchteile einer Lichtwellenlänge beeinflußt. Dieses Ver­ schieben erfolgt vorzugsweise mit einem Piezotranslator 12.

Es ist möglich die Hohlspiegel 6 und/oder 8 der Vorrichtung durch eine Kombination von einem Plan- oder Konvexspiegel mit einer Sammellinsenanordnung zu ersetzen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Beobachtung einer Prüflingsoberfläche (1) für die Verformungsmessung nach dem Speckle-Shearing- Verfahren, wobei die Prüflingsoberfläche (1) mit kohärentem Licht beleuchtet ist,

• - mit einem Bildsensor (7),
• - mit einem Michelson-Interferometer mit einem Strahlteiler (3) und zwei Endspiegeln,
• - wobei die beiden Endspiegel zwei Hohlspiegel (6, 8) sind, die so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie die Prüf­ lingsoberfläche (1) auf den Bildsensor (7) abbilden, und
• - mit einer Justiervorrichtung (13) zum Verstellen eines Hohlspiegels (8) quer zum Interferometerarm.

2. Vorrichtung zur Beobachtung einer Prüflingsoberfläche (1) für die Verformungsmessung nach dem Speckle-Shearing- Verfahren, wobei die Prüflingsoberfläche (1) mit kohärentem Licht beleuchtet ist,

• - mit einem Bildsensor (7),
• - mit einem Michelson-Interferometer mit einem Strahlteiler (3) und zwei Endspiegeln,
• - wobei zwischen der Prüflingsoberfläche (1) und dem Strahlteiler (3) ein Objektiv (2) angeordnet ist,
• - wobei die beiden Endspiegel zwei Hohlspiegel (6, 8) sind, die so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie die von dem Objektiv (2) erzeugte Zwischenabbildung der Prüf­ lingsoberfläche (1) auf den Bildsensor (7) abbilden, und
• - mit einer Justiervorrichtung (13) zum Verstellen eines Hohlspiegels (8) quer zum Interferometerarm.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strahlteiler (3) ein Strahlteilerwürfel ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Piezotranslator (12) in Verbindung mit einem der beiden Hohlspiegel (8) vorhanden ist, um diesen längs der Hauptachse des zugehörigen Interferometer­ arms kontrolliert zu bewegen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Justierschrauben vorge­ sehen sind, um die Hohlspiegel quer zur Achse des jeweiligen Interferometerarms zu justieren.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Justiervorrichtung zum Längsverstellen eines Hohlspiegels vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Justierschrauben vorgesehen sind, um die Hohlspiegel längs des jeweiligen Interferometerarms zu justieren.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlspiegel (6, 8) unmittelbar hinter dem Strahlteiler (3) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor eine Kamera ist.