DE4310281C2

DE4310281C2 - Vorrichtung zur Beobachtung von Prüflingsoberflächen für die Verformungsmessung nach dem Speckle-Shearing-Verfahren

Info

Publication number: DE4310281C2
Application number: DE19934310281
Authority: DE
Inventors: Rolf Mueller; Klaus Pfister
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1993-03-30
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2013-03-31
Also published as: DE4310281A1; DE4206151C2; DE4206151A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beobach tung von Prüflingsoberflächen für die Verformungsmes sung nach dem Speckle-Shearing-Verfahren in kompak ter Bauart, mit einer kohärenten Beleuchtung der Prüf lingsoberfläche, einem Bildsensor (Kamera) und einem zur Abbildung der Prüflingsoberfläche auf den Bildsen sor verwendeten, zwei Spiegel und einen Strahlteiler aufweisenden Zweistrahl-Interferometer nach Patent 42 06 151.

Die Ausführung marktgängiger Meßapparaturen, die dem Stand der Technik am nächsten kommen, benutzt eine Twyman-Green-Interferometer-Anordnung und eine elektronische Kamera, wie es in Applied Optics, Vol. 24, No. 14, 1975, S. 2177-2178 beschrieben ist. Das Interferometer besteht im wesentlichen aus einem Strahlteilerwürfel und zwei Planspiegeln. Das Shearen wird durch Verkippen eines dieser Planspiegel bewirkt. Phasenshiften ist vorgesehen. Es erfolgt durch Verschie ben eines der beiden Planspiegel mit einem Piezotrans lator. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist die erforder lich große Abmessung des verwendeten Teilerwürfels, die von der Apertur des Kameraobjektivs und dessen Öffnungswinkel bestimmt wird. Beim Shiftvorgang für das serielle Einlesen von phasenversetzten Teilaufnah men einer Szene wirkt sich die Masse des relativ großen Planspiegels ungünstig auf dessen Einschwingverhalten aus. Die gesamte Meßapparatur ist unhandlich, was bei Anwendungen im Rahmen der zerstörungsfreien Mate rialprüfung häufig stört. Das Wechseln von Objektiven mit unterschiedlichen Brennweiten/Baugrößen zur An passung an das Meßproblem ist mit vorgesetztem Strahlteiler nur bedingt möglich und umständlich vorzu nehmen.

Das Patent P 42 06 151 C2 beschreibt einen kompakten Shearing-Meßkopf, der einstellbaren Shear-Versatz und Phasenshiften ermöglicht, bei Ver wendung eines Zweistrahl-Interferometers, das aus ei nem Strahlteiler und zwei Hohlspiegel besteht und dem wahlweise ein Objektiv vorgesetzt ist. Diese Vor richtung arbeitet im letzteren Fall mit einer reellen Zwi schenabbildung, die etwa im Abbildungsmaßstab 1 : 1 auf den Bildsensor abgebildet wird. Durch diese Kon struktion erhält man zwischen Objektiv und Strahlteiler, sowie Strahlteiler und Bildsensor ausreichend Platz, um die Vorrichtung modular aufbauen zu können. Das be deutet, daß der Shearing-Meßkopf, als Modul gefertigt und mit Standard-Schnittstellen versehen, mit handels üblichen Objektiven und Kameragehäusen kombiniert so werden kann. Der Lösungsvorschlag der Zwischenab bildung/Hohlspiegelanordnung läßt sich bezüglich sei ner Lichtstärke-/Abbildungseigenschaften durch Aus gestaltung mit einer Feldlinse im Bereich der Zwischen abbildung und Korrektionsglieder zu den Hohlspiegeln optimieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kom pakt aufbaubare und vergleichsweise leichte Vorrich tung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es gestattet, mit verbesserter Lichtstärke, auch an schwer zugänglichen Inspektionsorten Messungen durchführen zu können, das Einschwingverhalten des Spiegels zu verkürzen und Wechselobjektive unterschiedlicher Brenn weite verwenden zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ohne Zwischenabbildung gearbeitet wird und der Strahlteiler das vom Objekt einfallende Licht in zwei Interferometerarme eines Zweistrahl-Interferometers vom Grundtyp des Michelson-Interferometers ein speist. Diese sind jeweils durch einen Endspiegel abge schlossen, wobei einer der beiden Endspiegel transver sal zum Interferometerarm verstellbar ist oder gekippt werden kann, um Shear-Versatz und Shear-Richtung vorzugeben und einer der beiden Endspiegel zum Pha senshiften in Richtung des Interferometerarms bewegt werden kann. Das Anordnen der beiden Endspiegel, des Objektivs und des Bildsensors in unmittelbarer Nähe zu den Begrenzungsflächen des Strahlteilers bewirkt einen äußerst kompakten Meßaufbau.

Eine erfindungsgemäße Michelson-Interferometer- Anordnung nach Fig. 1 verfügt über Endspiegel 6 u. 8 die als Planspiegel ausgebildet sind. Mit einer Vorrich tung 13 u. 14 zum zweiachsigen Verkippen eines End spiegels zur Achse des Interferometerarms lassen sich Versatz und Richtung für das Shearen einstellen. Mit einer Vorrichtung zum Verschieben eines der beiden Spiegel längs des Interferometerarms lassen sich beide Teilbilder auf einen gleichen Abbildungsmaßstab justie ren. Das Verschieben eines Spiegels in derselben Rich tung mittels Piezotranslator 12 um Bruchteile einer Lichtwellenlänge, ruft einen Gangunterschied gegen über dem anderen Interferometerarm und damit eine Phasenänderung im Interferenz-Specklemuster auf dem Bildsensor 7 hervor, nutzbar zur Anwendung des Pha senshiftverfahrens. Das Objektiv 2 ist bei relativ kurzen Brennweiten erfindungsgemäß als Retroobjektiv ausge bildet, um ausreichend Raum für die Interferometeran ordnung zu gewährleisten.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die beiden Endspiegel 6 u. 8 sphärisch-konvex ausgebildet sind um in Verbindung mit einem dem Teilerwürfel 3 zugeordneten relativ brechkraftlosen Korrektionsglied 16 die Abbildungseigenschaften des Gesamtsystems verbessern. Mit einer Justiervorrichtung 13 läßt sich der Endspiegel 8 transversal zum Interferometerarm ver stellen oder verkippen und zwar zum Einstellen von Shear-Versatz und -Richtung. Mit einer Justiervorrichtung 14 läßt sich der Endspiegel 8 zum Abgleich der Interferometerarmlängen in Strahl richtung verschieben.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Claims

1. Vorrichtung zur Beobachtung von Prüflingsober flächen für die Verformungsmessung nach dem Speckle-Shearing-Verfahren in kompakter Bauart mit einer kohärenten Beleuchtung der Prüflings oberfläche, einem Bildsensor (Kamera) und einem zur Abbildung der Prüflingsoberfläche auf den Bildsensor verwendeten, zwei Spiegel, Justiervorrichtungen und einen Strahlteiler aufweisenden Zweistrahl-Interferome ter nach Patent 42 06 151, dadurch ge kennzeichnet, daß das Objektiv (2) ohne Zwi schenabbildung auf den Bildsensor (7) abbildet, der Strahlteiler (3) und die den beiden Interferometer armen (4, 5) zugeordneten Endspiegel (6, 8) inner halb des Raums zwischen der Hinterlinse des Ob jektivs (2) und dem Bildsensor (7) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Strahlteiler (3) ein Strahlteiler würfel ist der das von der Prüflingsoberfläche (1) einfallende Licht in einem ersten sich quer zur Ein fallsrichtung erstreckenden Interferometerarm (5) und einen zweiten sich in Einfallsrichtung erstrec kenden Interferometerarm (4) aufteilt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Endspiegel (6, 8) als Planspiegel ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Endspiegel sphärisch-konvex aus gebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die hintere Schnittweite des Objek tivs (2), in Luft gemessen, mindestens um 1/3 länger ist als die Kantenlänge des Teilerwürfels (3).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strahlteiler (3) ein im wesentlichen brechkraftloses Korrektions glied (16) zugeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Korrektionsglied (16) innerhalb des Raums zwischen Hinterlinse des Objektivs (2) und dem Bildsensor (7) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß das Korrektionsglied (16) zwischen der Hinterlinse des Objektivs (2) und dem Strahltei ler (3) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Piezotranslator (12) in Verbin dung mit einem der beiden Endspiegel (6 oder 8) vorhanden ist, um diesen längs der Hauptachse sei nes Interferometerarms kontrolliert zu bewegen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Justiervorrichtung mit Justierschrauben (13) vorgesehen ist, um die Endspiegel (6 oder 8) durch quer-ver schieben oder kippen zur Achse des jeweiligen In terferometerarms (4 oder 5) zu justieren.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Justiervorrichtung mit Justierschrauben (14) vorgesehen ist, um die Endspiegel (6 oder 8) längs des jeweili gen Interferometerarms (4 oder 5) zu justieren.