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