DE4231578A1 - Verfahren zur Ermittlung von Verformungen an einem Prüfobjekt mit diffus streuender Oberfläche, typischerweise an Reifen, sowie Meßkopf zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Ver­ formungen bzw. Spannungen an einem Prüfobjekt mit diffus streuender Oberfläche, insbesondere an Reifen, sowie einen Meßkopf zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der DE-OS 36 24 589 ist ein Verfahren zur Ermittlung von Verformungen an Reifen bekannt, bei dem der Reifen ohne Felge in einer Druckkammer angeordnet ist, in der unterschiedliche Drücke eingestellt werden können. Von der mit einem Laser beleuchtete Reifenoberfläche wird bei zwei unterschiedlichen Drücken ein holographisches Interferenzbild erzeugt, welches auf photothermoplastisches Filmmaterial in einer speziellen Kamera aufgezeichnet wird.

Um die Schwingungsempfindlichkeit der Vorrichtung auszuschal­ ten, wird der Reifen mit energiereichen, sehr kurzen Laser­ impulsen beleuchtet.

Das bekannte Verfahren ist aufgrund der Notwendigkeit eines gepulsten Lasers sehr aufwendig. Des weiteren liegt das Prüf­ ergebnis als Interferogramm vor, dessen Auswertung nur von geschultem Bedienungspersonal vorgenommen werden kann. Im Falle der Überprüfung von Reifen auf Wiederverwendbarkeit (Runderneuerung) ist der Reifen zunächst immer auf Felge montiert. Da bei dem bekannten Verfahren die Innenfläche des Reifens geprüft wird, muß der Reifen von der Felge abmontiert werden. Der Arbeitsaufwand ist somit sehr hoch.

Aus der Veröffentlichung "Kohärent-optische Verfahren in der Oberflächenmeßtechnik", H. J. Tiziani, tm Technisches Messen 58 (1991) 6, R. Oldenbourg Verlag, Seite 231 bis 234, ist bekannt, zur Untersuchung von Verschiebungen in der Objekt ebene einen Prüfling aus zwei unterschiedlichen Richtungen mit kohärentem Licht zu beleuchten. Das von der Objektoberfläche zurückgestreute Licht wird über ein Objektiv in einer CCD- Kamera abgebildet. Dem vom Objekt zurückgestreuten Licht wird eine kohärente Referenzwelle überlagert, welche in einzelnen Schritten um π/2 verschoben werden kann. In der Bildebene entsteht ein Specklemuster, welches in einem Rechner weiter­ verarbeitet wird. Das Verfahren arbeitet mit kleinen Aperturen und benötigt deshalb eine leistungsstarke Lichtquelle. Die überlagerte Referenzwelle setzt eine erschütterungsfreie Umgebung voraus, weshalb das Verfahren sich in einer typischen Industrieumgebung, wie sie beispielsweise zur Prüfung von Reifen gegeben ist, nicht eignet.

Aus der US-PS 4 660 978 ist ein Meßkopf bekannt, welcher zur zur Vermessung von vorzugsweise optischen Komponenten dient. Dabei wird gerichtetes Licht verwendet; die Meßgröße ist die Abweichung der Wellenfront von einem Sollwert eines Prüfobjek­ tes.

Der Meßkopf ist als Michelson-Interferometer ausgebildet, in welchem die ankommende Wellenfront durch einen Strahlteiler in zwei Teilwellen aufgeteilt wird. Die beiden Teilwellen werden an zwei Spiegeln reflektiert und an dem Strahlteiler wieder zusammengeführt. An der Austrittsseite des Michelson-Inter­ ferometers ist ein Sensor-Array angeordnet. Durch minimales Verkippen eines Spiegels mittels eines Piezo-Elements wird eine Teilwelle verkippt; man erhält also zwei gegeneinander verschobene Teilwellen, welche miteinander interferieren können ("Shearing-Interferometer"). Der zweite Spiegel wird in Richtung der optischen Achse in Schritten von π/2 verschoben. Die von dem Sensor-Array aufgenommenen Signale werden in einem Rechner weiterverarbeitet.

Der bekannte Meßkopf arbeitet mit gerichtetem Licht ohne Abbildungsobjektiv zur Abbildung eines Prüfkörpers. Wegen der fehlenden Apertur eines Objektives ist das Speckle-Prinzip nicht wirksam.

In "Digitale Verarbeitung und Auswertung von Interferenzbil­ dern", Wolfgang Osten, Akademie-Verlag, 1991, Seiten 61 bis 66, ist beispielsweise beschrieben, wie aus mehreren phasen­ verschobenen Bildern mit Hilfe von Bildverarbeitungssystemen ein Modulo-2π Bild erzeugt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und schnelles Verfahren zur Ermittlung von Verformungen an einem Prüfobjekt mit diffus streuender Oberfläche zu schaffen, das in Industrieumgebung anwendbar ist.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Patentanspruch l gelöst. Dieses Verfahren ist in den Patentansprüchen 2 bis 10 vorteilhaft weitergebildet. Das Verfahren läßt sich mit der Vorrichtung nach Patentanspruch 11 durchführen. Bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Patent­ ansprüche 12 bis 25.

Bei einem bevorzugten Verfahren wird das Prüfobjekt mit kohä­ rentem Licht bestrahlt und die vom Prüfobjekt zurückgestreute Strahlung in zwei Teilstrahlungen aufgeteilt. Die zwei Teil­ strahlungen werden derart wieder zusammengeführt, daß die beiden Teilstrahlungen leicht verkippt sind (Shearing-Effekt). Die die Bildinformation tragenden Teilstrahlungen werden einem elektronischen Bildsensorsystem zugeführt. Dabei wird das Prüfobjekt durch abbildende Komponenten auf dem Bildsensor abgebildet. Die auf den Bildsensor auftreffende Strahlung wird nach einer A/D-Wandlung in digitale Signale umgewandelt. Die Oberfläche des Prüfobjektes hat zunächst den Zustand 1, nach einer aufgebrachten Verformung den Zustand 2. Die Aufzeichnung des Oberflächenzustandes 1 erfolgt derart, daß in einer ersten Bildfolge eine Teilstrahlung bezüglich der zweiten Teilstrah­ lung schrittweise phasenverschoben wird. Die Bildfolge wird typischerweise in dem temporären Speicher eines Rechners abgelegt. Von dem Oberflächenzustand 2 wird in derselben Weise eine zweite Bildfolge erzeugt. Die einzelnen Schritte der ersten und der zweiten Bildfolge werden in einem Rechner zu einem Modulo-2π-Bild weiterverarbeitet.

Die eine Teilstrahlung kann in der ersten und in der zweiten Bildfolge typischerweise in vier Schritten um jeweils π/2 oder in drei Schritten um jeweils 2/3 π phasenverschoben werden. Es sind auch eine andere Anzahl von Schritten möglich, wobei die Schrittweite multipliziert mit der Anzahl der Schritte jeweils 2π ergeben muß.

Vorteilhafterweise werden die digitalen Signale der Schritte der ersten Bildfolge zu einem Modulo-2π-Bild und die digitalen Signale der Schritte der zweiten Bildfolge zu einem weiteren Modulo-2π-Bild verarbeitet und die Differenz beider Modu­ lo-2π-Bilder gebildet.

Es ist jedoch auch möglich, die Differenz zwischen den digi­ talen Signalen eines Schrittes der ersten Bildfolge mit den digitalen Signalen der entsprechen den Schritte der zweiten Bildfolge zu einem Modulo-2π-Bild zu verarbeiten, wobei der Verfahrensablauf auch ein Vertauschen der ersten Bildfolge mit der zweiten Bildfolge zuläßt.

Durch die beschriebene Rechenprozedur ist es möglich, mit abbildenden Komponenten mit großen Aperturen (z. B. 1 : 1,4) und deshalb mit kohärenten Lichtquellen relativ geringer Leistung (z. B. 30 mW) zu arbeiten. Typischerweise werden Laserdioden verwendet, welche in einem Wellenlängenbereich zwischen 650 nm und 850 nm arbeiten. Bildsensorsysteme sind in eben diesem Wellenlängenbereich empfindlich.

Man erzielt sehr gute Ergebnisse, wenn die erste und die zweite Teilstrahlung so versetzt werden, daß sich die Abbil­ dungen zweier Punkte des Prüfobjektes in der Weise überlagern, daß die Punkte auf dem Prüfobjekt einen Abstand zwischen 10 und 30 mm haben.

Wenn das Prüfobjekt ein auf einer Felge montierter Reifen ist, kann die Verformung zwischen erster und zweiter Bildfolge durch Änderung des Reifeninnendruckes herbeigeführt werden. Der Reifen kann auch zum Kriechen stimuliert werden, bei­ spielsweise durch Walken des Reifens. Ein nicht auf Felge montierter Reifen kann Druckunterschieden in seiner Umgebung ausgesetzt und dadurch eine Verformung herbeigeführt werden.

Das Ziel der aufzubringenden Verformung besteht immer darin, Schwachstellen dadurch zu erkennen, daß solche Stellen eine signifikant andere Verformung als die Umgebung aufweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr einfach durchführbar und liefert ein hervorragendes Prüfergebnis, das in kürzester Zeit beispielsweise auf einem Bildschirm darstellbar ist und auch von wenig geschultem Bedienungspersonal interpretiert werden kann. Das Verfahren ermöglicht die Anzeige der Diffe­ renz der Verformung zweier benachbarter Punkte und damit näherungsweise der im Maschinenbau wesentlichen mechanischen Spannung. Darüberhinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren in normaler Industrieumgebung durchführbar. Es ist in aller Regel nicht erforderlich, die Prüfung in besonderen erschütterungs­ freien Räumen durchzuführen. Schließlich ist das erfindungs­ gemäße Verfahren gegenüber den bisher bekannten Verfahren zur Ermittlung von Verformungen an einem Prüfobjekt mit diffus streuender Oberfläche extrem wirtschaftlich, da die Herstell­ kosten wegen der Verwendung von Serien-Kaufteilen niedrig gehalten werden können und die Betriebskosten vor allem durch den Wegfall von teuerem Verbrauchsmaterial (Film, Laserröh­ re,etc.) ebenfalls niedrig sind.

Das Verfahren läßt sich vorteilhafterweise mit einer Vorrich­ tung durchführen, die einen Meßkopf aufweist, der ein elek­ tronisches Bildsensorsystem, abbildende Komponenten großer Öffnung und eine Zweistrahl-Interferometer-Anordnung zur Erzeugung einer ersten und zweiten Teilstrahlung enthält. Die Zweistrahl-Interferometer-Anordnung ist so ausgebildet, daß eine Teilstrahlung zur zweiten Teilstrahlung verkippt und eine Teilstrahlung phasenverschoben werden kann. Die aus dem Inter­ ferometer austretende Strahlung wird dem Bildsensor zugeführt, wobei durch zwischengeschaltete abbildende Komponenten auf dem Bildsensor eine Abbildung des Prüfobjektes erzeugt wird. Die abbildenden Komponenten können vor und/oder nach dem Inter­ ferometer angeordnet sein. Die vom Bildsensorsystem aufgenom­ menen Signale werden digitalisiert und einer zur weiteren Bildverarbeitung ausgelegten Rechnereinrichtung zugeführt.

Ist die Zweistrahl-Interferometer-Anordnung ein Michelson- Interferometer, wird die vom Prüfobjekt zurückgestreute Strah­ lung in zwei senkrecht zueinander stehende Teilstrahlungen mit Hilfe eines Strahlteilers aufgeteilt. Die teilende Fläche des Strahlteilers steht ca. 45° zur Richtung der zurückgestreuten Strahlung. An zwei senkrecht zur jeweiligen Strahlrichtung der Teilstrahlungen angeordneten Spiegeln wird die Strahlung in sich reflektiert. Ein solcher Spiegel des Interferometers kann in sehr kleinen Schritten längs der Strahlrichtung verschoben werden (Phasenschiebung); der zweite Spiegel des Interferome­ ters ist kippbar angeordnet. Es ist auch möglich, beide Funk­ tionen (Phasenschiebung und Verkippung) mit einem einzigen Spiegel durchzuführen. Damit kann die zweite Teilstrahlung gegen die erste verkippt werden (Shearing). Die an den Spie­ geln reflektierten Teilstrahlungen durchlaufen den Strahl­ teiler und werden dort wieder zusammengeführt. Nach dem Aus­ tritt aus dem Interferometer werden die Teilstrahlen dem Bild­ sensorsystem zugeführt und nach Digitalisierung weiterver­ arbeitet.

Ist die Zweistrahl-Interferometer-Anordnung ein Luftspalt- Interferometer, wird die vom Prüfobjekt zurückgestreute Strah­ lung an einem unter 45° gegen die einfallende Strahlrichtung angeordneten Strahlteiler in zwei Teilstrahlungen aufgeteilt. Typischerweise ist der Strahlteiler eine planparallele Platte, die auf der Eintrittsseite der zurückgestreuten Strahlung entspiegelt ist und auf der Austrittsseite eine strahlteilende Beschichtung (vorteilhafterweise ca. T:R = 60 : 40) aufweist. Unmittelbar hinter der teilenden Fläche ist eine spiegelende Fläche (typischerweise ein Planspiegel) angeordnet. Eine Teilstrahlung wird an dem Strahlteiler senkrecht zur Einfalls­ richtung reflektiert, die zweite Teilstrahlung durchläuft den Strahlteiler und wird an der spiegelnden Fläche ebenfalls senkrecht zur Einfallsrichtung reflektiert. An der teilenden Fläche werden beide Teilstrahlungen wieder zusammengeführt und treffen auf das Bildsensorsystem. Die teilende Fläche ist kippbar angeordnet und dient zur Erzeugung des Shearing-Effek­ tes. Die spiegelnde Fläche kann senkrecht zur spiegelnden Fläche in kleinen Schritten verschoben werden (Phasenschie­ bung). Diese Funktionen der teilenden und spiegelnden Flächen sind austauschbar. Ferner sind beide Funktionen auch mit einem einzigen Element (Teiler oder Spiegel) durchführbar.

Die Zweistrahl-Interferometer kann als Glaskeil ausgebildet sein, dessen dem einfallenden Strahl zugewandte Fläche teil­ verspiegelt (vorteilhafterweise ist T:R - ca. 60 : 40) und dessen dem einfallenden Strahl abgewandte Fläche vollverspie­ gelt ist und dessen Reflexionsflächen unter annähernd 45° gegen die Richtung des einfallenden Strahls angeordnet sind. An der teilverspiegelten Fläche wird die vom Prüfobjekt zu­ rückgestreute Strahlung in zwei Teilstrahlungen aufgeteilt. Die erste Teilstrahlung wird an der teilenden Fläche direkt und annähernd senkrecht zur Einfallsrichtung reflektiert, die zweite Teilstrahlung tritt in den Glaskörper ein und wird an dessen vollverspiegelten Fläche reflektiert. Die zweite Teil­ strahlung tritt an der teilenden Fläche annähernd senkrecht zur Einfallsrichtung und gegen die erste Teilstrahlung ver­ kippt aus (Shearing-Effekt). Der Glaskeil ist in der durch die einfallende und reflektierte Strahlachse definierte Ebene verschiebbar (Phasenschiebe-Effekt). An der teilenden Fläche werden beide Teilstrahlungen wieder zusammengeführt und tref­ fen auf das Bildsensorsystem.

Typischerweise bestehen die das Prüfobjekt abbildenden Kom­ ponenten aus einem Objektiv großer Öffnung, welches vor dem Bildsensorsystem angeordnet ist. Um eine Vignettierung durch die Zweistrahl-Interferometer-Anordnung bei größeren Bildwin­ keln (z. B. < 30°) zu vermeiden, kann eine Negativ-Optik vor der Eintrittsseite des Interferometers zur Erweiterung des Bildwinkels angeordnet werden. An der Eintrittsseite des Inter­ ferometers kann auch eine ein Zwischenbild erzeugende Optik vorgesehen werden. Das Zwischenbild wird dann von einem zwei­ ten Objektiv auf den Bildsensor abgebildet.

In den Strahlengang kann vor oder hinter dem Interferometer ein optisches Bandpaß- oder Kantenfilter eingesetzt werden, welches vorzugsweise die Wellenlänge des vom Objekt zurückge­ streuten Lichtes durchläßt und das Umgebungslicht abblockt. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in heller Umgebung durchgeführt werden.

Zur Bestrahlung des Prüfobjektes werden vorteilhafterweise eine oder mehrere Laserdioden im Bereich des Meßkopfes oder am Meßkopf angeordnet. Die Form des Leuchtflecks auf dem Prüf­ objekt kann durch vor den Dioden angeordnete Zylinderoptiken verändert werden. Im Falle mehrerer Laserdioden werden auf dem Prüfobjekt mehrere Leuchtflecke erzeugt. Jeder Leuchtfleck stellt in sich ein interferenzfähiges System dar. Die abbil­ denden Komponenten erzeugen auf dem Bildsensorsystem Abbildun­ gen von einem oder mehreren Leuchtflecken. Damit können auch Prüfobjekte, deren Oberfläche nur wenig Licht zurückstreut, oder große Prüfobjekte untersucht werden. Dies ist beispiels­ weise besonders bei der Prüfung von schwarzen Reifenoberflä­ chen vorteilhaft.

Das elektronische Bildsensorsystem ist vorteilhafterweise eine handelsübliche CCD-Kamera.

Die von dem Bildsensorsystem abgegebenen elektronischen Signa­ le werden in handelsüblichen A/D-Wandlern digitalisiert und in einem ebenfalls handelsüblichen Bildverarbeitungssystem wei­ terverarbeitet. Das Bildverarbeitungssystem kann ein entspre­ chend ausgebauter PC sein oder eine nur auf Bildverarbeitung und nach geschaltete, bildverarbeitende Rechenoperationen ausgelegte Hardware.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch den Strahlengang bei einem Verfahren zur Ermittlung von Verformungen an einem Prüfobjekt mit diffus streuender Oberfläche,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines Meßkopfs zur Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung von Ver­ formungen,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Meßkopfs zur Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung von Ver­ formungen,

Fig. 4 eine Frontansicht eines Prüfstandes zur Prüfung von Reifen,

Fig. 5 eine geschnittene Seitenansicht des Prüfstandes von Fig. 4,

Fig. 6 ein Modulo-2π-Bild eines schadhaften Reifens,

Fig. 7 ein Modulo-2π-Bild eines fehlerfreien Reifens.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung von Ver­ formungen an einem Prüfobjekt 10 mit diffus streuender Ober­ fläche wird das Prüfobjekt 10 mit kohärentem Licht (aus einer Lichtquelle oder aus mehreren Lichtquellen) beleuchtet. Die Beleuchtung des Prüfobjektes 10 ist in Fig. 1 zur Vereinfa­ chung anhand eines Lichtstrahls S dargestellt. Ebenfalls zur Vereinfachung ist die Oberfläche des Prüfobjektes 10 als Punkt P gekennzeichnet. Der Lichtstrahl S trifft in dem Punkt P auf dem Prüfobjekt 10 auf. Das vom Prüfobjekt 10 zurückgestreute Licht weist eine Speckle-Struktur auf. Zur Vereinfachung ist die Streulichtstrahlung in Fig. 1 anhand einer Streuwelle SW gezeigt. Die Streuwelle SW trifft auf eine strahlteilende Fläche 14 eines Strahlteilers 12 auf. Eine Teilstrahlung TS1 wird an der strahlteilenden Fläche 14 reflektiert und trifft auf einen ersten Planspiegel 16 auf. Der erste Planspiegel 16 ist senkrecht zu seiner Reflexionsfläche verschiebbar. Die Teilstrahlung TS1 wird an dem ersten Spiegel 16 in sich re­ flektiert und geht durch die strahlteilende Fläche 14 hin­ durch.

Die strahlteilende Fläche 14 läßt eine zweite Teilstrahlung TS2 der Streuwelle SW durch, die auf einen zweiten Planspiegel 18 auftrifft. Der zweite Planspiegel 18 ist kippbar angeord­ net, so daß die Neigung seiner Reflexionsfläche zur strahl­ teilenden Fläche 14 und zur Reflexionsfläche des Spiegels 16 verstellt werden kann. Die von dem zweiten Planspiegel 18 reflektierte Teilstrahlung TS2 wird an der strahlteilenden Fläche 14 in Richtung des Objektivs 20 reflektiert, auf das auch die Teilstrahlung TS1 auftrifft.

Die aus den beiden Planspiegeln und dem Strahlteiler beste­ hende Anordnung entspricht im wesentlichen einem Michelson- Interferometer, dessen einer Spiegel kippbar und dessen ande­ rer Spiegel senkrecht zu seiner Reflexionsfläche verschiebbar ist. Beide Funktionen (Verkippen und Verschieben) sind auch mit einem einzigen Spiegel 16 oder 18 oder mit Hilfe des Strahlteilers 12 durchführbar.

Durch das Objektiv 20 wird der Punkt P, von dem die in zwei Teilstrahlungen TS1 und TS2 aufgeteilte Streuwelle SW ausgeht, nach Durchlaufen einer Apertur 22 auf Aufzeichnungselemente 24 eines elektronischen Bildsensorsystems abgebildet. Dabei hat die Apertur 22 vorteilhafterweise eine große Öffnung.

Durch entsprechende Neigung des zweiten Spiegels 18 wird die Teilstrahlung TS2 an dem zweiten Spiegel 18 und an der strahl­ teilenden Fläche 14 so reflektiert, daß sie nach ihrem Durch­ tritt durch das Objektiv 20 seitlich versetzt zur Teilstrah­ lung TS1 auf den Aufzeichnungselementen 24 auftrifft. In der Ebene der Aufzeichnungselemente 24 entstehen somit zwei seit­ lich versetzte Bilder des Prüfobjektes 10 (Shearing Effekt).

Aus der seitlichen Versetzung der Teilstrahlungen TS1 und TS2 folgt, daß das Bild des Punktes P auf dem Prüfobjekt 10, welches durch die Teilstrahlung TS2 in der Ebene 24 gebildet wird, und das Bild eines benachbarten Punktes C auf dem Prüf­ objekt 10, welches durch die Teilstrahlung TS1 in der Ebene 24 gebildet wird, in der Ebene der Aufzeichnungselemente 24 über­ lagert werden und bei Verwendung von kohärentem Licht inter­ ferieren können (Shearing-Interferenz-Effekt).

Die von den Aufzeichnungselementen 24 empfangenen Signale werden in einem A/D-Wandler 26 digitalisiert. Die digitalen Signale werden einem Bildverarbeitungssystem 28 zugeführt und dort zu Modulo-2π-Bildern verarbeitet.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Neigung des zweiten Spiegels 18 bezüglich der teilenden Fläche 14 und des ersten Spiegels 16 auf einen vorherbestimmten Wert eingestellt. Das Prüfobjekt 10 wird mit kohärentem Licht aus einer Lichtquelle 36 oder mehreren Lichtquellen beleuchtet.

Während des ersten, unverformten Oberflächenzustandes des Prüfobjektes 10 wird der erste Spiegel 16 schrittweise viermal so verschoben, daß sich die Phase der von dem Spiegel 16 re­ flektierten Teilstrahlung TS1 jeweils um π/2 verschiebt. In einer ersten Bildfolge werden auf die Aufzeichnungselemente 24 also vier, jeweils um π/2 phasenverschobene Bilder des Prüf­ objektes 10 abgebildet. Die von dem A/D-Wandler 26 dem Bild­ verarbeitungssystem 28 zugeführten digitalen Signale der Bilder der vorbeschriebenen Schritte werden durch das Bildver­ arbeitungssystem 28 zu einem Modulo-2π-Bild verarbeitet.

Anschließend wird das Prüfobjekt 10 verformt und damit ein zweiter, die Verformung wiedergebender Oberflächenzustand des Prüfobjektes 10 erzeugt. Die weitere Vorgehensweise für eine zweite Bildfolge entspricht dem für den ersten Oberflächenzu­ stand bereits beschriebenen Ablauf.

Anschließend wird die Differenz der der ersten und der zweiten Bildfolge entsprechenden Modulo-2π-Bilder gebildet. Das resul­ tierende Modulo-2π-Bild ist die erste Form des Prüfergebnisses und wird auf einem an das Bildverarbeitungssystem 28 ange­ schlossenen Monitor angezeigt. Das resultierende Modulo-2π- Bild kann dann in dem Bildverarbeitungssystem 28 mit bekannten Algorithmen zu anderen Darstellungsformen weiterverarbeitet werden.

In Fig. 2 ist die erste Ausführungsform eines Meßkopfes 29 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Auf einer Grundplatte 30, auf der ein lösbarer Gehäusedeckel 32 befestigt ist, ist eine den Bildwinkel vergrößernde Optik 34 in der Strahlführung der Streuwellen SW angeordnet. Vor der Optik 34 ist ein Band- oder Hochpaßfilter (nicht gezeigt) angeordnet, der so ausgelegt ist, daß er kein die Prüfung störendes Umgebungslicht durchläßt.

An der Frontseite der Grundplatte 30 sind eine oder mehrere Laserdioden 36 in einstellbaren Fassungen zur Beleuchtung des Prüfobjektes angeordnet. Das von der Laserdiode oder den Laserdioden 36 ausgestrahlte Licht ist transversal und longi­ tudional single-modig und hat typischerweise eine Wellenlänge zwischen 650 nm und 850 nm. Das Laserdioden-System kann auch als eine von dem Meßkopf 29 unabhängige Einheit ausgebildet sein.

In Einfallsrichtung der Streuwellen SW hinter der Optik 34 ist ein Michelson-Interferometer angeordnet. Das Michelson-Inter­ ferometer ist aus einem Strahlteiler 12 mit einer strahlteilenden Fläche 14 und den beiden Spiegeln 16 und 18 aufgebaut. Die strahlteilende Fläche ist unter 45° zur Ein­ fallsrichtung der Streuwellen SW angeordnet. Die Spiegel 16 und 18 sind so angeordnet, daß ihre Reflexionsflächen die Ebene der strahlteilenden Fläche ca. unter 45° schneiden. Der erste Spiegel 16 ist mit einem Piezoantrieb verbunden, durch den der erste Spiegel 16 sehr genau senkrecht zu seiner Refle­ xionsfläche verschoben werden kann. Der zweite Spiegel 18 ist auf einer Spiegelhalterung 40 befestigt, die mittels zweier Einstellschrauben 42 und 44 in zwei Achsen verkippt werden kann. Hierdurch ist es möglich, die Neigung des zweiten Spie­ gels 18 bezüglich der strahlteilenden Fläche 14 zu verstellen. Beide Funktionen (Verkippen und Verschieben) sind auch mit einem einzigen Spiegel 16 oder 18 oder mit Hilfe des Strahl­ teilers 12 durchführbar.

An der Austrittsseite des Michelson-Interferometers, also gegenüber dem ersten Spiegel 16, ist das Objektiv 20 einer CCD-Kamera 46 angeordnet.

Die strahlteilende Fläche 14 ist so ausgebildet, daß sie die auf sie auftreffende Streuwellen SW in die erste Teilstrahlung TS1 und in die zweite Teilstrahlung TS2 (Fig. 1) teilt. Die erste Teilstrahlung TS1 wird an der strahlteilenden Fläche 14 in Richtung des ersten Spiegels 16 reflektiert. Die am ersten Spiegel 16 reflektierte Teilstrahlung TS1 geht durch die strahlteilende Fläche 14 hindurch und trifft auf das Objektiv 20 der CCD-Kamera 46. Die zweite Teilstrahlung TS2 geht durch die strahlteilende Fläche 14 hindurch und trifft auf den zweiten Spiegel 18 auf. Die von dem zweiten Spiegel 18 reflek­ tierte Teilstrahlung TS2 wird an der strahlteilenden Fläche 14 in Richtung des Objektivs 20 der CCD-Kamera 46 reflektiert.

Die CCD-Kamera 46 enthält neben dem Objektiv 20 die Aufzeich­ nungselemente 24 (CCD-Array). Die von den Aufzeichnungselemen­ ten 24 abgegebenen Analogsignale werden in einem A/D-Wandler 26 (Fig. 1) digitalisiert, der in einem Bildverarbeitungssystem 28 eingebaut ist.

Bei der in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführungsform des Meß­ kopfes ist der Strahlteiler als eine planparallele, teildurch­ lässige Platte 48 ausgebildet, welche unter ca. 45° zur Ein­ fallsrichtung der Streuwellen SW angeordnet ist. Der Strahl­ teiler 48 ist bezüglich der einfallenden Strahlung SW ver­ kippbar. Hinter dem Strahlteiler 48 ist ebenfalls unter annä­ hernd 45° zur Einfallsrichtung der Strahlung SW ein Planspie­ gel 50 angeordnet, der wie der erste Spiegel 16 von Fig. 2 schrittweise senkrecht zu seiner Reflexionsebene verschiebbar ist. Beide Funktionen (Verkippen und Verschieben) sind auch mit einem einzigen Spiegel 50 oder mit Hilfe des Strahlteilers 48 durchführbar.

Der Strahlteiler 48 läßt eine Teilstrahlung TS1 der einfal­ lenden Strahlung SW hindurch. Die Teilstrahlung TS1 wird am Spiegel 50 in Richtung des Objektivs 50 der CCD-Kamera 46 reflektiert, wobei sie den Strahlteiler 48 nochmals durch­ läuft. Die Teilstrahlung TS2 wird direkt vom Strahlteiler 48 an der dem Planspiegel 50 zugewandten Seite in Richtung des Objektivs 20 reflektiert.

Durch die Anordnung des verkippbaren Strahlteilers 48 und des Spiegels 50 ergibt sich derselbe Shearing-Effekt wie bei dem Meßkopf 29 der Fig. 2. Die zweite Ausführungsform des Meßkop­ fes hat gegenüber der ersten Ausführungsform den Vorteil, daß nur ein Spiegel 50 neben dem Strahlteiler 48 erforderlich ist.

In den Fig. 4 und 5 ist ein Reifenprüfstand gezeigt, mit dem es möglich ist, Beschädigungen an einem Reifen durch das erfindungsgemäße Verfahren zu ermitteln. Der Reifenprüfstand weist ein Gestell 52 auf, auf dem eine horizontale Achse 54 in zwei Lagern 56 und 58 drehbar gelagert ist. An der Stirnseite der Achse 54 ist ein Flansch 60 angeordnet, an dem eine Felge 62 befestigt werden kann. Auf der Felge 62 ist ein Reifen 64 montiert.

Auf beiden Seiten des Reifens 64 sind an dem Gestell 52 je­ weils zwei vertikale Stützen 66 angeordnet, auf denen Träger 67 gelagert sind. An diesen Trägern 67 sind die Meßköpfe 29 schwenkbar montiert. Die Position der Meßköpfe 29 ist derart, daß die optische Achse 68 etwa die Gürtelkante des Reifens 64 schneidet und der Winkel a zwischen der optischen Achse 68 und der den Reifen tragenden Achse 54 vorzugsweise etwa 35° ist.

Die abbildenden Komponenten 34 und 20 sind vorzugsweise so ausgelegt, daß der Meßkopf 29 einen Umfangsabschnitt des Reifens 64 mit einem Winkel ß von etwa 45° erfaßt. Der gesamte Reifenumfang kann also in acht Prüfzyklen erfaßt werden. Dazu wird der Reifen 64 um seine Achse 54 schrittweise gedreht.

Die Verformung des Reifens 64 in den einzelnen Prüfzyklen findet mit dem anhand von Fig. 1 beschriebenen erfindungs­ gemäßen Verfahren statt. Dabei wird die Verformung durch eine Änderung des Reifen-Innendrucks (Erhöhung oder Verminderung) herbeigeführt. Die Größe der Innendruckänderung hängt vom Reifentyp ab und kann fallweise eingestellt werden.

Weitere Meßköpfe können auch an anderer Stelle, z. B. im Wulst­ bereich, positioniert werden. Des weiteren sind Anordnungen möglich, den Reifen ohne Felge in einer Druckkammer zu prüfen. Typischerweise ist ein Meßkopf oder sind mehrere Meßköpfe dann im Bereich der Nabe angeordnet.

Die Fig. 6 und 7 zeigen resultierende Modulo-2π-Bilder eines 45°-Abschnittes eines Reifens. Die resultierenden Modu- 10-2π-Bilder wurden nach dem anhand der Fig. 1 beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren erstellt.

Fig. 7 zeigt einen fehlerfreien Reifenabschnitt. Dies ist aus dem konzentrischen Verlauf der Streifen S1 und S2 zu erkennen.

Fig. 6 zeigt einen fehlerhaften Reifenabschnitt. Dies ist deutlich an der Unterbrechung A des Streifens S2 zu erkennen. Die durch Änderung des Reifeninnendrucks hervorgerufene Ver­ formung verläuft in dem Bereich A deutlich anders als im übrigen Reifenabschnitt. Die Unterbrechung A resultiert aus der unterschiedlichen Änderung der Verformung zweier benach­ barter Punkte und indiziert somit näherungsweise einen kriti­ schen Spannungsverlauf. Fig. 6 macht deutlich, das eine schad­ hafte Stelle im Bereich der Gürtelkante auch von ungeschultem Bedienungspersonal genau zu erkennen ist.

Claims (25)

1. Verfahren zur Ermittlung von Verformungen an einem Prüf­ objekt mit diffus streuender Oberfläche, bei dem

• - das Prüfobjekt mit kohärentem Licht aus wenigstens einer Lichtquelle bestrahlt wird,
• - die vom Prüfobjekt zurückgestreute Strahlung in einem Zweistrahl-Interferometer in eine erste und eine zweite Teilstrahlung aufgeteilt wird,
• - in dem Zweistrahl-Interferometer eine Teilstrahlung gegen die andere Teilstrahlung verkippt wird,
• - in dem Zweistrahl-Interferometer eine Teilstrahlung schrittweise phasenverschoben wird,
• - die von dem Prüfobjekt zurückgestreute und in dem Zweistrahl-Interferometer in zwei Teilstrahlungen aufgeteilte und wieder zusammengeführte Strahlung über die Oberfläche des Prüfobjektes abbildende Komponen­ ten großer Öffnung einem elektronischen Bildsensorsystem zugeführt wird,
• - die von dem Bildsensorsystem abgegebenen Signale digitalisiert und in einem Bildverarbeitungssystem zu einem Modulo-2π-Bild weiterverarbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das das Prüfobjekt bestrahlende Licht eine Wellenlänge von 650 nm bis 850 nm hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilstrahlungen mittels abbildender Kom­ ponenten so verkippt werden, daß mittels abbildender Kom­ ponenten zwei seitlich versetzte Bilder des Prüfobjektes auf dem Bildsensorsystem entstehen, wobei zwei benachbarte Bildpunkte des Prüfobjektes überlagert werden, die um 10 bis 30 mm versetzt sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die eine Teilstrahlung in vier Schritten um jeweils π/2 phasenverschoben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die eine Teilstrahlung in drei Schritten um jeweils 2/3 π phasenverschoben wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Bildfolge schrittweise phasenverschobene Bilder der unverformten Prüfobjektober­ fläche hergestellt und zu einem ersten Modulo-2π-Bild verrechnet werden und in einer zweiten Bildfolge schrittweise phasenverschobene Bilder der verformten Prüfobjektoberfläche hergestellt und zu einem zweiten Modulo-2π-Bild verrechnet werden und aus der Differenz der beiden Modulo-2π-Bilder ein resultierendes Modulo-2π-Bild errechnet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein erstes Bild der unverformten Prüfobjekt­ oberfläche hergestellt und abgespeichert wird und in einer Bildfolge schrittweise phasenverschobene Bilder der ver­ formten Prüfobjektoberfläche hergestellt werden und aus dem ersten Bild mit den Bildern der Bildfolge ein Modulo-2π- Bild errechnet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einer Bildfolge schrittweise phasenver­ schobene Bilder der unverformten Prüfobjektoberfläche hergestellt und abgespeichert werden und ein weiteres Bild der verformten Prüfobjektoberfläche hergestellt wird und aus den Bildern der Bildfolge und dem weiteren Bild ein Modulo-2π-Bild errechnet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch abbildende Komponenten auf dem Bildsensorsystem unmittelbar ein Bild der Prüfobjektober­ fläche abgebildet wird oder ein solches Bild über eine Zwischenabbildung hergestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die abbildenden Komponenten eine so große Öffnung haben, daß die entstehenden Speckle kleiner sind als die Größe eines Einzelaufzeichnungselementes des Bildsensorsystems.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10,

• - mit einer Beleuchtungseinheit (36) mit wenigstens einer Laserdiode zur Beleuchtung des Prüfobjektes (10),
• - mit einem Meßkopf (29) der
  • - ein Zweistrahl-Interferometer, dem die vom Prüfobjekt (10) zurückgestreute Strahlung zugeführt wird und das so ausgebildet ist, daß eine in diesem Zweistrahl-Inter­ ferometer erzeugte Teilstrahlung (TS1) schrittweise phasenverschoben und gegen eine zweite Teilstrahlung (TS2) verkippt werden kann,
  • - ein Bildsensorsystem (46) und
  • - wenigstens eine die Oberfläche des Prüfobjektes (10) auf ein elektronisches Bildsensorsystem (46) abbildende Komponenten (34,20) enthält, und
• - mit einem Bildverarbeitungssystem, bestehend aus
  • - einem A/D-Wandler (26) zur Digitalisierung der von dem Bildsensorsystem (46) abgegebenen Signale, und
  • - einer Bildverarbeitungseinheit (28), deren Hardware und Software so ausgebildet ist, daß die digitalisierten Signale zu einem Modulo-2π-Bild verrechnet werden kön­ nen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinheit (36) eine eigenständige Einheit ist oder an dem Meßkopf (29) montiert werden kann und die Laserdiode justierbar angeordnet ist und an ihrer Licht­ austrittsseite eine sphärische und/oder zylindrische Optik zur Gestaltung eines Leuchtflecks auf dem Prüfobjekt (10) angebracht ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich­ net, daß das zweistrahl-Interferometer als Michelson- Interferometer ausgebildet ist, bei dem die vom Prüfobjekt (10) zurückgestreute Strahlung an einem Strahlteiler (12) in eine erste und zweite Teilstrahlung (TS1, TS2) aufge­ teilt wird und die erste Teilstrahlung (TS1) an einem er­ sten, senkrecht zu seiner Reflexionsebene verschiebbaren Spiegel (16) reflektiert wird und dann durch die strahl­ teilende Fläche (14) des Strahlteilers (12) hindurchtritt und die zweite Teilstrahlung (TS2) an einem zweiten, ver­ kippbaren Spiegel (18) reflektiert wird und dann an der strahlteilenden Fläche (14) des Strahlteilers (12) re­ flektiert wird und die an der strahlteilenden Fläche (14) wieder zusammengeführten Teilstrahlungen (TS1, TS2) dem Bildsensorsystem (46) zugeführt werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich­ net, daß das Zweistrahl-Interferometer als Michelson- Interferometer ausgebildet ist, bei dem die vom Prüfobjekt (10) zurückgestreute Strahlung an einem Strahlteiler (12) in eine erste und zweite Teilstrahlung (TS1, TS2) aufge­ teilt wird und die erste Teilstrahlung (TS1) an einem er­ sten Spiegel (16) reflektiert wird und dann durch die strahlteilende Fläche (14) des Strahlteilers (12) hin­ durchtritt und die zweite Teilstrahlung (TS2) an einem zweiten (18) reflektiert wird und dann an der strahltei­ lenden Fläche (14) des Strahlteilers (12) reflektiert wird und die an der strahlteilenden Fläche (14) wieder zusammengeführten Teilstrahlungen (TS1, TS2) dem Bildsen­ sorsystem (46) zugeführt werden, wobei einer der Spiegel (16, 18) oder der Strahlteiler (12) sowohl verkippbar als auch verschiebbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich­ net, daß das Zweistrahl-Interferometer als Luftspalt-In­ terferometer ausgebildet ist, wobei die vom Prüfobjekt (10) zurückgestreute Strahlung an einem Strahlteiler (48), dessen strahlteilende Fläche unter etwa 45° gegen die Richtung der einfallenden Strahlung angeordnet ist, in die erste und zweite Teilstrahlung (TS1, TS2) aufgeteilt wird und die erste Teilstrahlung (TS1) nach Durchtritt durch den Strahlteiler (48) an einem ebenfalls unter etwa 45° angeordneten Planspiegel (50) reflektiert wird und nach einem weiteren Durchtritt durch den Strahlteiler (48) dem Bildsensorsystem (46) zugeführt wird und die zweite Teil­ strahlung (TS2) direkt an dem Strahlteiler (48) reflek­ tiert und dem Bildsensorsystem (46) zugeführt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (48) verkippbar und der Planspiegel (50) senkrecht zu seiner Reflexionsfläche verschiebbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Planspiegel (50) verkippbar und der Strahlteiler (48) senkrecht zu seiner Reflexionsfläche verschiebbar ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Planspiegel (50) oder der Strahlteiler (48) sowohl verkippbar als auch senkrecht zu seiner Reflexionsfläche verschiebbar ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12 dadurch gekennzeich­ net, daß das Zweistrahl-Interferometer als keilförmige Glasplatte ausgebildet ist, welche etwa unter 45° gegen die Richtung der einfallenden Strahlung angeordnet ist, deren dem einfallenden Licht zugewandte Fläche teilver­ spiegelt und deren dem einfallenden Licht abgewandte Fläche vollverspiegelt ist, und die in der durch die einfallende reflektierte Strahlachse definierten Ebene verschiebbar ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (12, 48) ein Tei­ lerwürfel oder eine planparallele oder keilförmige Platte ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, gekenn­ zeichnet durch eine abbildende Komponente, die von einem vor dem Zweistrahl-Interferometer oder vor dem Bildsensor­ system (46) angeordneten Objektiv (20, 34) gebildet wird.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, gekenn­ zeichnet durch eine abbildende Komponente, die von einem vor dem Bildsensorsystem (46) angeordneten Objektiv (20) gebildet wird und durch eine weitere abbildende Komponen­ te, die von einem vor dem Zweistrahl-Interferometer an­ geordneten Objektiv (34) gebildet wird und ein reales oder virtuelles Zwischenbild von dem Prüfobjekt (10) entwirft, welches dann von dem Objektiv (20) der einen abbildenden Komponente auf Aufzeichnungselemente (24) des Bildsensor­ systems (46) abgebildet wird.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Bildsensorsystem (46) eine CCD-Kamera ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang ein optisches Band- oder Hochpaßfilter angeordnet ist, wobei das Filter die Wellenlänge des Beleuchtungsstrahls hindurchläßt und das Umgebungslicht abblockt.

25. Vorrichtung einem der Ansprüche 11 bis 24, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Bildverarbeitungssystem (28) ein mit einer Bildverarbeitungskarte und A/D-Wandler ausgerüsteter PC ist oder ein in sich geschlossenes Bildverarbeitungs- Rechensystem ist, welches das Programm in einem EPROM enthält und welches nur die zur Bildverarbeitung notwen­ digen Rechenoperationen durchführt.