DE4414287A1 - Verfahren, Vorrichtung und Shearing-Element für die Shearing-Speckle-Interferometrie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Shearing-Element nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 5 und 14.

Zur Ermittlung und Untersuchung von Verformungen in Bauteilen bzw. Objekten aufgrund mechanischer Beanspruchungen wird in jüngster Zeit immer mehr die Shearografie angewandt, die auch als Shearing-Speckle-Interferometrie bezeichnet wird. Sie dient analog zur holografischen Verformungsmessung dem Zweck, Oberflächenverformungen durch Vergleich von Oberflächenbildern bzw. Shearogrammen, die von der Oberfläche des Objekts in dessen unbelastetem und belastetem Zustand erhalten werden, in Form von Interferenzmustern sichtbar zu machen und/oder mit Hilfe von Datenverarbeitungsanlagen auszuwerten. Dabei wird die zu untersuchende Oberfläche des Objekts flächenhaft mit kohärentem Licht, vorzugsweise Laserlicht, beleuchtet und das von dieser Oberfläche diffus reflektierte Licht mittels eines ein Shearing-Element aufweisenden optischen Systems in einer Bildebene abgebildet. Das Shearing-Element besteht in der Regel aus einem einer Sammellinse vorgesetzten oder nachgeschalteten optischen Bauteil in Form eines das durchgehende Licht in einer vorgewählten Richtung brechenden Keils, Prismas od. dgl. und bewirkt, daß in der Bildebene zwei in Shearrichtung geringfügig verschobene bzw. zueinander versetzte Bilder erzeugt werden, je nachdem, ob die von einem Punkt der Objektoberfläche ausgehenden Lichtstrahlen nur die Sammellinse oder die Sammellinse und auch das Shearing-Element durchlaufen. Alternativ ist es möglich, ein Shearing-Element in Form eines Biprismas od. dgl. zu verwenden, das sich im wesentlichen über die gesamte Sammellinse erstreckt, da auch hierdurch zwei Bilder erhalten werden, die in einer vorgewählten Richtung relativ zueinander versetzt sind. Die Bilder werden in der Bildebene entweder mit einem lichtempfindlichen Film aufgezeichnet oder mit einem optoelek­ tronischen Sensor, z. B. einem in CCD-Technik ausgebildeten Bildaufnehmer oder einer Fernsehkamera, registriert und dann z. B. mit Hilfe eines üblichen PC in einem Bild­ speicher gespeichert.

Bei der Verformung des Objekts ändert sich die Lage der das Licht reflektierenden Punkte nicht nur absolut, sondern auch relativ zueinander. Das führt bei der Überlagerung der im belasteten Zustand erhaltenen Bilder, der sogenannten Belastungs-Shearogramme, mit den im unbelasteten Zustand erhaltenen Bildern, den sogenannten Null-Shearogrammen, zu Interferenzmustern, die im Gegensatz zu holografischen Verformungsmessungen nicht ein Maß für die Verformung, sondern ein Maß für den Gradienten bzw. die Ableitung der Verformung in der Shearrichtung, d. h. in derjenigen Richtung sind, in die die Lichtstrahlen vom Shearing-Element gebrochen werden. Die erhaltenen Interferenzstreifen sind damit Linien gleicher Dehnung und nicht Linien gleicher Verformung. Bei einwandfreier Verformung des Objekts sind die erhaltenen Interferenzmuster in der Regel symmetrisch. Weist das Objekt dagegen Mängel auf, ergeben sich entsprechend unterschiedliche Dehnungen, die zu gut sichtbaren Unsymmetrien in den Interferenzmustern führen.

Shearografische Verfahren und die zu ihrem Verständnis notwendigen mathematischen Grundlagen sind dem Fachmann allgemein bekannt (DE 28 06 845 C2, DE 40 36 120 A1, Y. Y. Hung in "Shearography: A Novel and Practical Approach for Nondestructive Inspection", Journal of Nondestructive Evaluation, Vol. 8, No. 2, 1989, S. 55-67, und Y.Y. Hung, A.1. Durelli in "Simultaneous Measurement of Three Displacement Derivati­ ces Using a Multiple Image-Shearing Interferometric Camera", Journal of Strain Analysis, Vol. 14, Nr. 3, 1979, S. 81-88). Zur Vermeidung von Wiederholungen werden diese Dokumente hiermit ausdrücklich zum Gegenstand der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gemacht.

Obwohl die shearografischen Verfahren wegen ihrer Einfachheit und Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse, z. B. mechanische Schwingungen innerhalb der Meßapparatur, große Vorteile bieten, weisen sie auch noch Mängel auf. Diese bestehen vor allem darin, daß nur sogenannte Out-of-plane-Verformungen sichtbar gemacht werden können bzw. auswertbar sind und die Shearing-Elemente, die bisher zum Sichtbarmachen bzw. Messen von Verformungen einerseits und zum Auswerten der erhaltenen Bilder andererseits verfügbar sind, vergleichsweise komplexe Aufbauten der gesamten Meßapparatur zur Folge haben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, shearografische Verfahren und Vor­ richtungen und dafür geeignete Shearing-Elemente vorzuschlagen, mit denen die genannten Mängel weitgehend beseitigt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1, 5 und 14.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprü­ chen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematisch je eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur wahlweisen Ermitt­ lung von Ableitungen von In-plane- und Out-of-plane-Verformungen;

Fig. 3a, 3b bis Fig. 6a, 6b jeweils im Vergleich mit shearografischen Mitteln erhaltene In- plane-Interferenzmuster und mit der herkömmlichen Spannungsoptik erhaltene Aufnahmen;

Fig. 7 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur gleichzeitigen Aufnahme von Shearogrammen in zwei Richtungen mit Hilfe eines Shearing-Elements in Form von zwei hintereinander geschalteten Biprismen;

Fig. 8 bis 10 schematische Ansichten von mit der Vorrichtung nach Fig. 7 erhaltenen Interferenzmustern;

Fig. 11 schematisch eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Aufnahme von Shearogrammen in drei unterschiedliche Richtungen mit Hilfe eines Shearing-Elements in Form eines drei­ seitigen Pyramidenprismas;

Fig. 12 bis 16 erfindungsgemäße Shearing-Elemente zur gleichzeitigen Aufnahme von Shearogrammen in mehr als drei Richtungen;

Fig. 17 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Shearing-Element zur Herstellung von moireartigen Interferenzmustern;

Fig. 18 und 19 perspektivische Teildarstellungen des Shearing-Elements nach Fig. 17;

Fig. 20 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufnahme von Shearogram­ men mit Hilfe des Shearing-Elements nach Fig. 17 bis 19;

Fig. 21 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur rechnerischen Auswertung von Shearogrammen mit Hilfe einer Phasenschiebeeinheit für die Shearogramme; und

Fig. 22 und 23 Vorrichtungen entsprechend Fig. 21 mit weiteren Phasenschiebeeinheiten.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 dient zur Ermittlung der Ableitungen von In-plane-Ver­ formungen. Hierzu weist die Vorrichtung eine kohärentes Licht ausstrahlende Licht­ quelle 1, vorzugsweise einen Laser, eine nicht näher dargestellte Halterung für ein zu untersuchendes Objekt 2, ein optisches System mit einer Sammellinse 3 und einem dieser vorgesetzten, vorzugsweise drehbar gelagerten Shearing-Element 4 und eine Bildebene 5 auf, in der ein nicht dargestellter Bildaufnehmer, z. B. ein fotografischer Film, ein optoelektronischer Bildaufnehmer auf CCD-Basis oder irgendein anderer Aufzeichnungs­ träger zur Aufnahme und Speicherung eines fotografischen Bildes angeordnet ist.

Das bekannte Verfahren der Shearografie besteht darin, daß das Objekt 2 bzw. seine zu untersuchende Oberfläche zunächst im unbelasteten Zustand mit kohärentem Licht beleuch­ tet bzw. bestrahlt und das von dieser Oberfläche diffus reflektierte Licht mittels der Sammellinse 3 in der Bildebene 5 abgebildet wird. Dabei bewirkt das Shearing-Element 4, daß ein Teil des von irgendeinem Punkt P₁ der Objektoberfläche kommenden Lichts in einem Punkt P₁₁ und der restliche Teil des vom Punkt P₁ kommenden Lichts in einem Punkt P₁₂ der Bildebene 5 gesammelt wird, wobei der Abstand der Punkte P₁₁ und P₁₂ üblicherweise als Shearabstand bezeichnet wird. Die Richtung der Verschiebung der beiden Punkte P₁₁ und P₁₂, d. h. die Shearrichtung, hängt von der Lage des Shearing-Elements 4 ab. Dieses besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Biprisma, dessen ebene Unterseite der Sammellinse 3 zugewandt und parallel zur x/y-Ebene eines in Fig. 1 schematisch angedeu­ teten, kartesischen Koordinatensystems mit den Achsen x, y und z angeordnet ist, wobei die z-Achse gleichzeitig die Achse des optischen Systems ist. Die beiden mit der Unterseite jeweils den Keilwinkel α bildenden, geneigten und dem Objekt 2 zugewandten Flächen grenzen längs einer parallel zur y-Achse verlaufenden Firstlinie 6 aneinander, so daß die in der Bildebene 5 erscheinenden Bilder der Objektoberfläche in x-Richtung versetzt sind. Würde das Shearing-Element 4 um die z-Achse in Richtung eines Pfeils 7 um 90° gedreht, bis die Firstlinie 6 parallel zur x-Achse angeordnet ist, würden die Bilder in y-Richtung versetzt sein.

Bei den bisher üblichen shearografischen Verfahren wird das Objekt 2, hier eine plan­ parallele, mit ihren Breitseiten parallel zur Bildebene 5 angeordnete Platte, in der Regel in z-Richtung mit einer Kraft ± Fz belastet, so daß sich seine der Bildebene 5 zugewandte Oberfläche in z-Richtung konvex oder konkav wölbt und eine sogenannte Out-of-plane- Verformung erhalten wird. Die Erzielung brauchbarer Interferenzmuster setzt hierbei voraus, daß die Achse 8 der von der Lichtquelle 1 ausgehenden Lichtstrahlen und die senkrecht zur Bildebene 5 verlaufende und z. B. mit der z-Achse zusammenfallende optische Achse des Systems im wesentlichen beide in der x/z-Ebene oder einer dazu parallelen Ebene liegen und einen Winkel ϑ_xz bilden, der möglichst klein ist. Die hierbei erhaltenen Interferenzstreifen lassen sich als Streifen gleicher Dehnung in x-Richtung deuten. Wird der Verformungs-Vektor als V = u (x, y, z) + v (x, y, z) + w (x, y, z) bezeichnet, würden daher die Streifen ein Maß für die Größe δw/δx sein. Entsprechend würde das Interferenzmuster ein Maß für die Größe δw/δy liefern, wenn das Shearing- Element 4 um 90° gedreht und daher ein Bildversatz in y-Richtung herbeigeführt würde.

Dieselben Maße für die Größen δw/δx und δw/δy lassen sich bei Anwendung einer Lichtquelle 9 erhalten, deren Achse 10 mit der z-Achse bzw. der optischen Achse einen möglichst kleinen Winkel ϑ_yz bildet und in der y/z-Ebene liegt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß sich mit derselben Apparatur nach Fig. 1 auch die Ableitungen von In-plane-Verformungen des Objekts 2 ermitteln lassen. Für diesen Zweck sollten zwei Voraussetzungen erfüllt sein. Die erste Voraussetzung ist, daß die Winkel ϑ_xz bzw. ϑ_yz ungleich Null sein müssen und möglichst nahe bei 90°, vorzugsweise zwischen 80° und 90° liegen sollten, was mit der Vorrichtung nach Fig. 1 durch entsprechende Verschwenkung der Lichtquellen 1 und 9 leicht realisierbar ist. Die zweite Voraussetzung ist dagegen, daß die auf das Objekt 2 wirkenden Kräfte so gewählt werden, daß die daraus in z-Richtung resultierenden Ver­ formungen sehr kleine Ableitungen δw/δx, δw/δy aufweisen und die Verformung daher hauptsächlich in der x/y-Ebene, d. h. "in-plane" erfolgt. Unter diesen Voraussetzungen ergeben die mit der sonst gleichen Vorrichtung erhaltenen Interferenzmuster je nach Anordnung des Shearing-Elements 4 ein Maß für δu/δx und δu/δy, wenn die Achse 8 und die z-Achse in der x/z-Ebene liegen, bzw. ein Maß für die Werte δv/δx und δv/δy, wenn die Achse 10 und die z-Achse in der y/z-Ebene liegen.

In Fig. 1 ist angedeutet, daß zur Messung oder Sichtbarmachung der Ableitungen der In­ plane-Verformungen z. B. mittels des Kräftepaars ± F_x eine Dehnung des Objekts 2 in x- Richtung herbeigeführt wird. Alternativ wäre es möglich, eine Dehnung (oder Stauchung) in y-Richtung oder irgendeiner anderen Richtung innerhalb der x/y-Ebene herbeizuführen.

Anstatt verschwenkbarer Lichtquellen 1 bzw. 9 werden bei der Vorrichtung nach Fig. 1 zweckmäßig beide Lichtquellen 1 und 9 fest installiert. Ferner wird jeder Lichtquelle 1, 9 ein auf der Achse 8, 10 wirksamer, steuerbarer Verschluß 11, 12 zugeordnet, der wahlweise geöffnet und geschlossen werden kann. Daher ist es möglich, durch bloße Steuerung der Verschlüsse 11, 12 nacheinander Bilder im unbelasteten und belasteten Zustand des Ob­ jekts 2 zu erzeugen, wobei die Richtung, in der die Punkte P₁ versetzt werden, durch Drehung des Shearing-Elements 4 in der x/y-Ebene beliebig eingestellt werden kann.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 genügt zur Herstellung der verschiedenen Bilder eine einzige, z. B. auf der z-Achse angeordnete Lichtquelle 14. Das von dieser längs einer Achse 15 emittierte Licht wird durch eine Strahlteiler-Anordnung 16 geführt. Das diese Anordnung 16 durchlaufende Licht passiert einen Verschluß 17 und fällt nahezu senkrecht auf eine senkrecht zur z-Achse angeordnete Oberfläche des Objekts 2. Das vom Objekt 2 diffus reflektierte Licht passiert eine analog zu Fig. 1 ausgebildete Shearing-Optik 18 und trifft dann auf die Bildebene 5, die ebenfalls im wesentlichen senkrecht zur z-Achse angeordnet ist. Dieser Teil der Vorrichtung dient somit zur Aufnahme von Out-of-plane- Shearogrammen im unbelasteten bzw. belasteten Zustand des Objekts 2 und liefert Werte für die Größen δw/δx und δw/δy.

Die Strahlteiler-Anordnung 16 weist nach Fig. 2 zwei hintereinander angeordnete Strahl­ teiler 19 und 20 auf, die beispielsweise als optische Teilungsspiegel- oder -prismen ausgebildet sind und das von der Lichtquelle 14 kommende Licht entweder unbeeinflußt durchlassen oder um 90° ablenken. Der beispielsweise in der z-Achse liegende Lichtstrahl (Achse 15) wird dabei vom ersten Strahlteiler 19 teils durchgelassen, teils um 90° in der y/z-Ebene abgelenkt. Dieser Teil trifft dann auf einen Umlenkspiegel 21 der Strahlteiler- Anordnung 16 und wird von diesem durch einen Verschluß 22 hindurch auf die Objekt­ oberfläche umgelenkt. Dagegen wird das den Strahlteiler 19 unabgelenkt passierende Licht durch den Strahlteiler 20 teilweise um 90° in die x/z-Ebene umgelenkt und dann von einem zweiten Umlenkspiegel 23 durch einen zweiten Verschluß 24 auf die Objektoberfläche abgelenkt.

Mittels der Strahlteiler-Anordnung 16 werden somit zusätzlich zu einem nicht abgelenkten Lichtbündel 25 zwei weitere Lichtbündel 26 und 27 erhalten, wobei das Lichtbündel 26 im wesentlichen in der y/z-Ebene und das Lichtbündel 27 im wesentlichen in der x/z-Ebene angeordnet ist. Außerdem sind die Umlenkspiegel 21, 23 so angeordnet, daß die Licht­ bündel 25, 26 einen Winkel ϑ_yz und die Lichtbündel 25, 27 einen Winkel ϑ_xz einschließen, der möglichst nahe bei 90° liegt. Daher ist es analog zu Fig. 1, jedoch mit einer einzigen Lichtquelle 14, möglich, durch Öffnung einer der Verschlüsse 22, 24 und gleichzeitiges Verschließen der beiden anderen Verschlüsse 24, 17 bzw. 22, 17 eines der Lichtbündel 26 oder 27 zur Herstellung von die In-plane-Dehnung zeigenden Bildern einzusetzen, indem bei entsprechender Belastung des Objekts 2 nacheinander ein sogenanntes Null-Shearo­ gramm (ohne Belastung) und ein Belastungs-Shearogramm (mit Belastung) aufgenommen werden. Durch Drehung der Shearing-Optik 18 werden dabei Maße für die Größen δu/δx, δu/δy, δv/δx und δv/δy gewonnen.

Die auf diese Weise erhaltbaren Gleichungen können zur Bestimmung von sechs unbekann­ ten Termen des Verzerrungstensors ε_zz, ε_xx, ε_yy, ε_yx, ε_zx und ε_zy verwendet werden. Die restlichen Terme können analog zur Auswertungstechnik für Dehnungsmeßstreifen bestimmt werden (z. B. mittels des Mohr′schen Dehnungskreises).

Durch Integration der sechs Gleichungen wäre es auch möglich, die Verformungen selbst zu bestimmen. Konstrukteure sowie Labor-, Versuchs- und Entwicklungsingenieure sind jedoch meistens mehr an der Ermittlung der Dehnungen interessiert, da die fertigungs­ gemäße und wirtschaftliche Bemessung von Bauteilen auf dem Hooke′schen Gesetz ο = ε·E = E·Δ1/1 basiert.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 wurde vorausgesetzt, daß die Winkel ϑ_xz bzw. ϑ_yz bei der Messung von In-plane-Verformungen möglichst nahe bei 90° liegen sollten und die auf das Objekt 2 wirkenden Kräfte nur sehr kleine Werte von δw/δx bzw. δw/δy ver­ ursachen, d. h. die Kräfte im wesentlichen nur in der x/y-Ebene und damit in-plane wirken. Dadurch ergibt sich der Nachteil, daß zumindest in solchen Fällen, in denen In-plane- Belastungen zu merklichen Out-of-plane-Verformungen und damit zu Werten von δw/δx ≠ 0 bzw. δw/δy ≠ 0 führen, letztere nicht vernachlässigbar sind und eine exakte Ermittlung der In-plane-Anteile unmöglich machen.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch Berücksichtigung des Sensitivitätsvektors vermieden. Der Sensitivitätsvektor fällt definitionsgemäß mit den Winkelhalbierenden der Winkel ϑ_xz bzw. ϑ_yz nach Fig. 1 zusammen, die sich aus den Winkeln zwischen der Beleuchtungsrichtung und der Beobachtungsrichtung ergeben. Bei der oben beschriebenen In-plane-Messung bildet der Sensitivitätsvektor einen Winkel von ca. 45° und mehr mit der x- bzw. y-Achse, was die oben angegebene Folge hat, daß ein etwa vorhandener Out-of- plane-Verformungsanteil stets beträchtlich in das Meßergebnis eingeht. Erfindungsgemäß wird dagegen vorgeschlagen, den Winkel zwischen dem Sensitivitätsvektor und der x/y- Ebene so klein wie möglich zu machen, indem sowohl der Winkel zwischen der Beleuch­ tungsrichtung und der x- bzw. y-Achse als auch der Winkel zwischen der Beobachtungs­ richtung und der x- bzw. y-Achse so klein wie möglich gewählt wird, wie es aus prakti­ schen und den Vorrichtungsaufbau betreffenden Gründen gerade noch vertretbar ist. Darunter wird einerseits verstanden, daß die genannten Winkel nicht beide 0 sein können und andererseits sehr kleine Winkel z. B. eine erheblich größere Tiefenschärfe erfordern und zu einer reduzierten Auflösung führen. Brauchbare Werte für die Winkel zwischen dem Sensitivitätsvektor und der x- bzw. y-Achse dürften bei 20° bis 30° liegen, was ausreicht, um den Anteil der Out-of-plane-Verformungen vergleichsweise klein zu halten.

Da die Beobachtungsrichtung bei dieser Lage des Sensitivitätsvektors nicht in der z-Ebene liegt, muß beim Wechsel der Beleuchtungsrichtung (z. B. Übergang von der Lichtquelle 1 auf die Lichtquelle 9 in Fig. 1) auch die Beobachtungsrichtung entsprechend geändert werden. Alternativ wäre es aber auch möglich, nur das Objekt 2 und die zu seiner Belastung verwendeten Einrichtungen um 90° zu drehen. Abgesehen davon versteht sich, daß bei allen beschriebenen Aufbauten die Beleuchtungsrichtung und die Beobachtungs­ richtung miteinander vertauscht werden können.

Beispiele für durch In-plane-Shearogramme erhaltene Interferenzmuster sind in Fig. 3 bis 6 gezeigt. Insbesondere zeigen die Fig. 3a, 4a, 5a und 6a Interferenzmuster für einen einseitig eingespannten Balken, für einen beidseitig auf reine Biegung beanspruchten Balken, für einen Zugstab mit Biegung und einen einseitig eingespannten Zugstab, was durch die links von den Zeichnungen dargestellten Symbole angedeutet ist. Dagegen zeigen die Fig. 3b, 4b, 5b und 6b bei entsprechenden Belastungen die mit Hilfe der Spannungsoptik erhaltenen Bilder. Dabei ist anerkannt, daß die Durchlicht-Spannungsoptik zwar gute Bilder auch für In-plane-Verformungen liefert, im übrigen aber den Nachteil hat, daß die Verformungen nur anhand von speziell angefertigten Modellen sichtbar gemacht werden können. Fig. 3a bis 6b lassen jedoch erkennen, daß die In-plane-Interferenzmuster zumindest qualitativ durchaus mit den auf andere und kompliziertere Weise gewonnenen Ergebnissen vergleichbar sind.

Bei der Aufnahme von Shearogrammen mit einem Shearing-Element, das zur Änderung der Shearrichtung gedreht werden muß, ergibt sich der Nachteil, daß in jede Richtung zuerst ein Null-Shearogramm und dann ein Belastungs-Shearogramm aufgenommen werden muß. Dabei kann es vorkommen, daß sich eine einmal durch Belastung hergestellte Verformung nach der späteren Entlastung nicht exakt reproduzieren läßt. Das würde zu unterschiedli­ chen Shearogrammen führen und ist daher unerwünscht.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es bereits bekannt, als Shearing-Elemente Glasplatten zu verwenden, deren eine Breitseite in vier aneinander grenzenden Sektoren unterschiedlich abgeschrägt ist, so daß sich in einem Sektor eine Ablenkung in x-Richtung, in einem zweiten Sektor eine Ablenkung in y-Richtung und in den beiden übrigen Sektoren oder Quadranten keine Ablenkung ergibt. Dadurch ist es möglich, gleichzeitig einen Versatz der Bilder der Objektoberfläche in zwei unterschiedliche Richtungen vorzunehmen, so daß nur je ein Null-Shearogramm und ein Belastungs-Shearogramm benötigt wird (Y. Y. Hung und A. J. Durelli, a.a.O.).

Die Herstellung von solchen speziellen Shearing-Elementen ist aufwendig und damit kostspielig. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, dieselbe Wirkung mit Shearing- Elementen zu erzielen, die auf einfachen Komponenten und geometrischen Formen aufbauen.

Fig. 7 zeigt hierzu eine übliche, analog zu Fig. 1 aufgebaute Vorrichtung, welche die Lichtquelle 1, das Objekt 2, die Bildebene 5 und ein zwischen dieser und dem Objekt 2 befindliches, die Sammellinse 3 und ein Shearing-Element 29 aufweisendes optisches System umfaßt. Im Gegensatz zu Fig. 1 besteht das Shearing-Element 29 aus zwei miteinander verbundenen und in z-Richtung hintereinander geschalteten Abschnitten, die hier als Biprismen 30 und 31 ausgebildet sind. Dabei ist jedes Biprisma 30, 31 entsprechend Fig. 1 ausgebildet und mit einer Firstlinie 32, 33 versehen. Die beiden Biprismen 30, 31 sind längs ihrer ebenen Unterseiten miteinander so verbunden, daß ihre Firstlinien 32, 33 und damit auch ihre Keilwinkel β₁, β₂ senkrecht zueinander stehen. Die Keilwinkel β₁, β₂ sind vorzugsweise gleich groß, können aber auch verschieden groß sein. Dadurch werden die von einem Punkt P₁ auf der Objektoberfläche ausgehenden Lichtstrahlen einerseits vom Biprisma 30 in y-Richtung und andererseits vom Biprisma 31 nochmals jeweils in x-Richtung abgelenkt, so daß auf der Bildebene vier Bildpunkte P₁₁, P₁₂, P₁₃ und P₁₄ des Objektpunkts P₁ entstehen. Dabei sind die vom Biprisma 31 durch Versatz der Bilder in x- Richtung erhaltenen Interferenzmuster 34 entsprechend Fig. 8, die vom Biprisma 30 durch Versatz der Bilder in y-Richtung erhaltenen Interferenzmuster 35 entsprechend Fig. 9 und die durch Überlagerung beider Interferenzmuster 34, 35 erhaltenen Interferenzmuster 36 entsprechend Fig. 10 ausgebildet.

Bei dem aus Fig. 7 ersichtlichen Shearing-Element 29 müssen die Firstlinien 32, 33 nicht senkrecht zueinander stehen, sondern können an sich beliebige Winkel einnehmen. Außerdem ist das Shearing-Element 29 vorzugsweise um die z-Achse drehbar gelagert, so daß es je nach Einzelfall in die gewünschte Richtung gedreht werden kann. Dies kann vor allem bei der Anwendung der beschriebenen Verfahrensweise zur Sichtbarmachung der Interferenzmuster zweckmäßig sein, da es Oberflächenfehler gibt, die in der in Fig. 7 dargestellten Lage des Shearing-Elements 29 weniger gut als in irgendeiner anderen Drehstellung desselben sichtbar werden.

Fig. 11 zeigt eine Vorrichtung, die im wesentlichen der Vorrichtung nach Fig. 7 ent­ spricht, aber ein Shearing-Element 38 in Form eines dreiseitigen Pyramidenprismas aufweist, das mit drei nebeneinander liegenden, das einfallende Licht in drei unterschiedli­ che Richtungen brechenden Abschnitten versehen ist. Wie in der Bildebene 5 angedeutet ist, werden hier die Objektpunkte P₁ in Bildpunkten P₁₁, P₁₂ und P₁₃ entsprechend den drei brechenden Ebenen des Shearing-Elements 38 abgebildet.

Weitere mögliche Shearing-Elemente 39 bis 43 sind in Fig. 12 bis 16 dargestellt. Dabei zeigen Fig. 12 bis 15 je ein vierseitiges, fünfseitiges, sechsseitiges und zwölfseitiges Pyramidenprisma, während Fig. 16 ein Kegel ist, dessen Achse in der z-Achse liegt. Alle diese Shearing-Elemente eignen sich hauptsächlich zur Sichtbarmachung von Interferenz­ mustern bei der Oberflächenprüfung od. dgl. an Objekten.

Eine Draufsicht auf ein besonders zweckmäßig gestaltetes Shearing-Element 44 ist schließlich in Fig. 17 dargestellt. Dieses Shearing-Element 44 wird z. B. im wesentlichen aus einem Quader hergestellt, dessen gedachte Längsachse senkrecht zur Zeichenebene durch einen Punkt O verläuft und der eine senkrecht zu dieser Längsachse verlaufende, ebene Unterseite aufweist, die als Eintrittsfläche für das Licht dient. Die entgegengesetzte Oberseite, die in Fig. 17 in der Draufsicht dargestellt ist, weist drei Sektoren 45, 46 und 47 bzw. Austrittsflächen für das Licht auf, von denen der Sektor 45 ebenfalls senkrecht zur Längsachse angeordnet ist. Dagegen werden die ebenen Sektoren 46 und 47 dadurch erhalten, daß der Quader jeweils unter einem Keilwinkel schräg zur Längsachse geschnitten wird. Dabei sind die beiden Schnitte bei gleichen Keilwinkeln so gelegt, daß jeder Sektor 46, 47 mit der Unterseite 45 des Quaders einen optischen Keil bildet, dessen brechende Kanten, die in Fig. 17 durch Linien AB bzw. BC angedeutet sind, einen Winkel mitein­ ander bilden. Die dazu senkrecht verlaufenden, in Fig. 17 mit 0₁0₁ bzw. 0₂0₂ bezeichneten Linien bilden daher einen kleinen Winkel τ, der vorzugsweise zwischen 0° und ca. 10° liegt.

Wie insbesondere aus Fig. 18 bis 20 ersichtlich ist, kann das Shearing-Element 44 auch aus zwei Keilen bzw. dreiseitigen Prismen 48 und 49 zusammengesetzt werden, von denen das eine Prisma 48 eine etwas geneigte Unterseite aufweist und mit dieser auf die z. B. horizontale Oberseite des anderen Prismas 49 aufgesetzt ist, wie insbesondere Fig. 20 zeigt. Dabei ist die in Fig. 17 senkrecht zur Zeichenebene und in Fig. 18, 19 senkrecht zu den hinteren Keilflächen der Prismen 48, 49 verlaufende Achse mit z₁ bezeichnet, während die vorderen Keilflächen der Prismen 48, 49 die Sektoren 46, 47 bilden. Der den Sektor 45 bildende Teil des Quaders nach Fig. 17 fehlt in Fig. 18 bis 20 ganz. Die Keilwinkel sind mit γ₁ und γ₂ bezeichnet und vorzugsweise gleich groß.

Bei der Anwendung des Shearing-Elements 44 in der Vorrichtung nach Fig. 20, die im übrigen der Vorrichtung nach Fig. 1 entspricht, wird beispielsweise die gemeinsame ebene Hinterseite der Prismen 48, 49 senkrecht zur z-Achse angeordnet und der Bildebene 5 zugewandt, d. h. die z₁-Achse und die z-Achse sind koaxial. Dadurch wirken einerseits die Sektoren 46 und 47 bzw. der in Fig. unbedeckte Teil der Sammellinse 3 und das Prisma 48 unter Bildung eines ersten Shearogramms in einer von der Lage des Sektors 47 abhängigen ersten Shearrichtung und andererseits die Sektoren 46 und 48 bzw. entsprechend die Sammellinse 3 und das Prisma 49 unter Bildung eines zweiten Shearogramms in einer von der Lage des Sektors 48 abhängigen zweiten Shearrichtung zusammen, wobei sich die beiden Shearrichtungen im Gegensatz beispielsweise zur Vorrichtung nach Fig. 7 nicht um 90°, sondern nur um wenige Grad, z. B. maximal 10°, unterscheiden. Dadurch entstehen sogenannte Moir´-Muster, die nach der Moir´-Theorie zu Streifen führen, die je nach Shearrichtung ein Maß für die zweiten Ableitungen der Komponente w (x, y, z) des Verformungsvektors, nämlich für die Krümmungen ∂²w/∂x² bzw. ∂²w/∂y² liefern.

Aus der Mechanik für dünne Platten läßt sich ableiten, daß ε_x = ∂u/∂x ∼ -∂²w/∂x² bzw. ε_y = ∂v/∂y ∼ ∂²w/∂y² gilt. Daher bietet die Erzeugung von Moirè-Mustern mit Hilfe des Shearing-Elements 44 nach Fig. 17 bis 19 überraschend die Möglichkeit, auch bei Out-of- plane-Belastungen bzw. -Verformungen Werte für die Größen ∂u/∂x und ∂v/∂y zu erhalten. Dies ist bisher nicht möglich und selbst mit dem anhand der Fig. 1 bis 6 beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren der In-plane-Messung nicht realisierbar, da dieses Verfahren ∂w/∂x ≈ ∂w/∂y ≈ 0 voraussetzt. Dadurch werden insgesamt die mit der Shearografie möglichen Untersuchungen insbesondere im rein visuellen Bereich wesentlich erweitert.

Für die rechnerische Auswertung von Shearogrammen ist es erforderlich, sowohl die Null- Shearogramme als auch die Belastungs-Shearogramme bei mehreren, definierten Phasenver­ schiebungen Φ, z. B. bei 0°, 120° und -120°, aufzunehmen, um mit Hilfe der Beziehung I = a + k·cos Φ (I = Intensität im Bildpunkt, a = Hintergrundhelligkeit im Bildpunkt, k = Kontrast, Φ = Phasenverschiebung) drei Gleichungen mit drei Unbekannten zu erhalten und daraus den Zustand des Objekts möglichst genau festzulegen (DE 40 36 120 A1).

Bisher werden die definierten Phasenverschiebungen durch Verschiebung bzw. Bewegung des Shearing-Elements oder eines anderen Bauteils des optischen Systems erzeugt. Dies bedeutet insoweit einen Nachteil, als in der Regel erwünscht ist, das optische System bis auf etwaige Drehungen des Shearing-Elements zwecks Änderung der Shearrichtung über die Gesamtdauer der Untersuchungen unverändert zu lassen.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Phasenschiebung mittels wenigstens eines vom optischen System bzw. vom Shearing-Element getrennten Bauteils vorzunehmen.

Fig. 21 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Lichtquelle 50, einem Ob­ jekt 51, einem Shearing-Element 52, einer Sammellinse 53 (Objektiv) und einem optoelek­ tronischen Bildaufnehmer 54 analog zu Fig. 1. Zwischen dem Objekt 51 und dem Shea­ ring-Element 52 ist eine Phasenschiebeeinheit 55 angeordnet, die ein Phasenschiebe- Element 56 z. B. in Form eines optischen Keils aufweist, dem ein Verstellglied 57 od. dgl. zugeordnet ist, welches über einen Digital/Analog-Wandler 58 an einen Rechner 59 angeschlossen ist und über diesen gesteuert werden kann. Dadurch ist es möglich, das Phasenschiebe-Element 56 je nach Bedarf in Richtung eines Doppelpfeils r linear und senkrecht zur z-Achse zu verschieben, in Richtung eines Doppelpfeils s um die z-Achse zu drehen oder in Richtung eines Doppelpfeils t um eine senkrecht zur z-Achse angeordnete Achse zu kippen. Je nach Bedarf kann das Phasenschiebe-Element 56 mit seinem Keilwin­ kel ρ in der Zeichenebene nach Fig. 21 oder senkrecht dazu oder andersartig angeordnet sein. Insgesamt werden dem Phasenschiebe-Element 56 so viele Freiheitsgrade gegeben, wie zur Erzielung unterschiedlicher Phasenschiebungen benötigt oder gewünscht wird.

Die räumliche Trennung der Phasenschiebeeinheit 55 vom Shearing-Element bzw. vom ganzen optischen System bringt den Vorteil mit sich, daß sie an jeder beliebigen bzw. zweckmäßigen Stelle des Strahlengangs angeordnet werden kann. Bei der Vorrichtung nach Fig. 22, die im übrigen der Vorrichtung nach Fig. 1 entspricht, ist die entsprechend Fig. 21 ausgebildete Phasenschiebeeinheit 55 beispielsweise zwischen der Lichtquelle 1 und dem Objekt 2 angeordnet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß aufgrund der räumlichen Trennung leicht sichergestellt werden kann, daß das Phasenschiebe-Element 56 in jeder Stellung die Öffnungsweite des auf sie auffallenden Laserlichts bzw. der Sammellinse 53, 3 völlig bedeckt, was für die Erzeugung einer gleichförmigen Phasenverschiebung für alle Objektpunkte erforderlich ist, während gleichzeitig das Shearing-Element 52, 4 in der für den gewünschten Shearabstand erforderlichen Weise angeordnet werden kann.

Eine besondere Bedeutung erhält die Phasenschiebeeinheit bei Vorrichtungen nach Fig. 7 mit Shearing-Elementen, die eine gleichzeitige Aufnahme von Shearogrammen in unter­ schiedlichen Shearrichtungen ermöglichen. Hier ist es erforderlich, eine Phasenschiebung entsprechend in unterschiedliche Richtungen vorzunehmen, was durch bloße Verschiebung eines der Shearing-Elemente nach Fig. 7 oder Fig. 11 bis 16 nicht möglich wäre. Eine für diesen Zweck geeignete Vorrichtung ist in Fig. 23 dargestellt. Sie enthält eine Licht­ quelle 60, ein Objekt 61, ein nicht näher dargestelltes, beispielsweise nach Fig. 7 oder Fig. 11 bis 16 ausgebildetes Shearing-Element 62, eine Sammellinse (Objektiv) 63 und einen Bildaufnehmer in Form einer CCD-Kamera 64 mit einer Vielzahl von in einer Bildebene 65 angeordneten CCD-Elementen. Zwischen der Lichtquelle 60 und dem Ob­ jekt 61 ist eine Phasenschiebeeinheit 66 angeordnet, die bei der Anwendung des Shearing- Elements 29 nach Fig. 7 dazu dient, die Phase des einfallenden Lichts in zwei zueinander senkrechten Richtungen zu beeinflussen, und die dazu beispielsweise zwei Phasenschiebe- Elemente 67 und 68 in Form von zwei senkrecht zueinander angeordneten optischen Keilen 67 und 68 aufweist. Jeder Keil 67, 68 kann einzeln analog zu Fig. 21 verschiebbar, drehbar und/oder kippbar angeordnet sein, wie durch die eingezeichneten Doppelpfeile angedeutet ist, um dadurch jede im Einzelfall erwünschte oder erforderliche Phasenschiebung in jede gewünschte Richtung durchführen zu können. Dabei ergibt sich vor allem der Vorteil, daß die Phasenschiebungen in unterschiedliche Richtungen, z. B. in x- und in y-Richtung, gleichzeitig durchgeführt werden können, so daß zur Herstellung aller für die rech­ nerische Auswertung benötigten Belastungs-Shearogramme nur eine einmalige Belastung des Objekts 61 erforderlich ist.

Anstelle eines optischen Keils können für die Phasenschiebeeinheit 55, 66 analog zu Fig. 7 und Fig. 11 bis 16 auch Biprismen, planparallele Platten, Mehrfachprismen od. dgl. verwendet werden. Denkbar wäre auch die Anwendung von Elementen, deren Brechungs­ indizes von außen gesteuert werden können, z. B. solche, die transparente Flüssigkeiten oder optisch aktive Materialien enthalten, wobei die Steuerung der Phasenschiebung durch thermische, elektrische oder mechanische Belastung oder Kombinationen davon erfolgen kann. Wichtig ist jeweils nur, daß sich durch die Steuerung des jeweiligen Phasenschiebe- Elements zwar die Phase in der gewünschten Richtung ändert, die übrigen optischen Parameter, insbesondere auch die Ablenkwinkel, jedoch im wesentlichen unverändert bleiben.

Das Verstellglied 57 der Phasenschiebeeinheit 55 nach Fig. 21 kann beispielsweise durch Schrittmotoren, Piezoelemente oder elektrische/mechanische Stellglieder realisiert werden. Abgesehen davon wäre es natürlich auch möglich, die erforderlichen Einstellungen manuell vorzunehmen. Dasselbe gilt für die in Fig. 23 nicht dargestellten Antriebe für die Keile 67 und 68.

Eine weitere Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Phasenschie­ bung durch ein vom Shearing-Element getrenntes Bauteil ist in Fig. 24 dargestellt. Fig. 24 zeigt den Aufbau eines Michelson-Interferometers mit einem Strahlteilerwürfel 69 und Spiegeln 70 und 71 zur Verwendung als Interferometer in der optischen Meßtechnik. Eine vom Objekt reflektierte Objektwelle 74 wird im Strahlteilerwürfel 69 aufgespalten und in Objektwellen 75 und 76 zerlegt. Infolge der Reflektion der Objektwellen 75, 76 an den Spiegeln 70 und 71 und durch die Zusammenführung beider Objektwellen 75, 76 wiederum im Strahlteilerwürfel 69 entsteht eine Interferenzwelle 77, die z. B. die Information von verschiedenen zurückgelegten Weglängen der Objektwellen 75, 76 speichert. Wird einer der Spiegel 70, 71 leicht verkippt, so entsteht eine Shearung der beiden Objektwellen 75, 76 zueinander, wodurch ein einfaches Shearogramm erhalten wird. Durch eine zusätzliche lineare Verschiebung des jeweils anderen, nicht in der Ebene gekippten Spiegels z. B. mittels eines Piezoelements 72 kann eine Phasenschiebung durchgeführt werden. Mit Hilfe einer CCD-Kamera oder eines Films 78 im Strahlengang der Interferenzwelle 77 können die unterschiedlichen, in der Phase verschobenen Shearogramme gespeichert werden. Eine anschließende Auswertung kann z. B. mit Hilfe eines Rechners erfolgen. Allerdings wirkt dabei der den Sheareffekt herbeiführende Spiegel 70 bzw. 71 als ein nur in eine Richtung wirksames Shearing-Element.

Die Auswertung von gleichzeitig in mehrere Richtungen vershearten Bildern kann analog zur obigen Beschreibung dadurch erfolgen, daß eines der Shearing-Elemente 29, 38, 39, 40, 41, 42, 43 bzw. 44 senkrecht vor einem der Spiegel 70, 71 angeordnet wird, wie in Fig. 24 schematisch durch das Bezugszeichen 73 angedeutet ist. Auf diese Weise kann eine Vershearung in verschiedene Richtungen und gleichzeitig durch entsprechende Phasen­ schiebung mit Hilfe des jeweils anderen Spiegels und Speicherung der Bilder die Aus­ wertung vorgenommen werden. Anstelle der Verwendung von verschiedenen Shearing- Elementen ist es möglich, einen der Spiegel 70, 71 entsprechend Fig. 25 bis 27 in mehrere Segmente a, b, c bzw. d zu unterteilen und diese unabhängig voneinander kippbar anzuord­ nen, um dadurch unabhängig voneinander Vershearungen in unterschiedliche Richtungen vornehmen zu können.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die sich in vielfacher Weise abwandeln lassen. Insbesondere können die verschiedenen Elemente, Vorrichtungen und/oder Verfahrensschritte auch in anderen als den beschriebenen Kom­ binationen verwendet werden. Weiter ist es möglich, z. B. das Shearing-Element 29 so auszubilden, daß die beiden Biprismen 30 und 31 um die z-Achse relativ zueinander verdrehbar sind und beliebige Winkel zwischen ihren beiden Shearrichtungen eingestellt werden können. Entsprechend könnte das Shearing-Element 44 aus zwei um die z₁-Achse drehbar miteinander verbundenen Teilen hergestellt sein, von denen das eine den Sektor 47 und das andere den Sektor 48 aufweist, um dadurch den Winkel τ zwischen den beiden die Moir´-Muster erzeugenden Flächen ändern zu können. Weiter ist es möglich, die Art des im Einzelfall verwendeten Phasenschiebe-Elements dem im Einzelfall verwendeten Shearing-Element anzupassen, um dadurch auch bei der Aufnahme von Shearogrammen in mehr als einer Shearrichtung auf einfache Weise Phasenschiebungen durchführen zu können. Die Anordnung weiterer Phasenschiebeelemente in Reihe ist ebenfalls denkbar.

Dabei versteht sich, daß anstelle von verschiebbaren, drehbaren oder kippbaren Phasen­ schiebe-Elementen auch ein Bausatz von mehreren, auswechselbaren Phasenschiebe- Elementen vorgesehen sein könnte. Die Phasenschiebe-Elemente des Bausatzes könnten dabei am Umfang eines drehbaren Rotors angebracht sein, mittels dessen jeweils das im Einzelfall gewünschte Phasenschiebe-Element in den Strahlengang gebracht wird. Alle derartigen Ausführungsformen sind aufgrund der räumlichen Trennung von Phasenschie­ beeinheit und Shearing-Element bzw. optischem System auf einfache Weise realisierbar.

Claims (21)

1. Verfahren zur shearografischen Ermittlung von Ableitungen der Verformung einer Oberfläche eines Objekts (2, 61) in wenigstens eine ausgewählte Richtung, bei dem die Objektoberfläche mit kohärentem Licht bestrahlt und das von dieser diffus reflektierte Licht mittels einer ein Shearing-Element (4, 29, 38-44, 52, 62) und eine optische Achse (z) aufweisenden optischen Systems in einer Bildebene (5, 65) abgebildet und von der Objekt­ oberfläche wenigstens ein Null-Shearogramm und ein Belastungs-Shearogramm aufgenom­ men wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung von Ableitungen von In-plane-Ver­ formungen entweder die Bestrahlung der Objektoberfläche unter einem Winkel (ϑ_xz, ϑ_yz) bezüglich der optischen Achse (z) erfolgt und das Objekt (2, 61) bei der Aufnahme des Belastungs-Shearogramms so belastet wird, daß im wesentlichen nur Verformungen parallel zur Bildebene (5, 65) erhalten werden, oder daß mit dem von der Objektoberfläche reflektierten Licht unter Anwendung eines Shearing-Elements (44), das das Licht in wenigstens zwei voneinander abweichenden Richtungen auf die Bildebene (5, 65) lenkt, moir´artige Interferenzstreifen erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Bestrahlung der Objektoberfläche aus unterschiedlichen Richtungen (ϑ_xz, ϑ_yz) und/oder Drehung des Shea­ ring-Elements (44) um die optische Achse (z) Ableitungen von In-plane-Verformungen in unterschiedliche Richtungen ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ableitungen von In-plane- Verformungen in zwei zueinander senkrechte Richtungen ermittelt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung der Objektoberfläche unter Winkeln (ϑ_xz, ϑ_yz) erfolgt, die nahe bei 90° liegen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensitivitätsvektor bei der Ermittlung der Ableitungen der In-plane-Verformungen mit einem Winkel zwischen 0° und 45° zur x- bzw. y-Achse angeordnet wird.

6. Vorrichtung zur shearografischen Ermittlung von Ableitungen der Verformungen an einer Oberfläche eines Objekts in ausgewählte Shearrichtungen, enthaltend eine kohärentes Licht erzeugende Lichtquelle (1, 14, 50, 60), eine Bildebene (5, 65) und ein eine optische Achse (z) und wenigstens ein Shearing-Element (4, 29, 38-44, 52, 62, 70, 71, 73) aufweisendes optisches System zur Abbildung der Objektoberfläche in der Bildebene (5, 65), dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Ermittlung von Ableitungen von In-plane- und/oder Out-of- plane-Verformungen ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Ermittlung von Ableitungen von In-plane-Verformungen ausgebildet ist und die Achse der Lichtquelle (1, 14, 50, 60) einen Winkel (ϑ_xz, ϑ_yz) mit der optischen Achse (z) bildet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Ermittlung von Ableitungen von In-plane-Verformungen ausgebildet ist und ein Shearing-Element (44) aufweist, daß das reflektierte Licht in wenigstens zwei voneinander verschiedene, die Bildung von moir´-artigen Interferenzstreifen ermöglichenden Richtungen auf die Bildebene lenkt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur wahlweisen Ermittlung von Ableitungen von In-plane- und Out-of-plane-Verformungen eine Strahlteiler-Anordnung (16) aufweist, die das von der Lichtquelle (14) ausgehende Licht in wenigstens je ein die Out-of-plane-Ermittlung ermöglichendes Lichtbündel (25) und ein die In-plane-Ermittlung ermöglichendes Lichtbündel (26, 27) aufspaltet, und daß jedem Lichtbündel (25, 26, 27) ein steuerbarer Verschluß (17, 22, 24) zugeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteiler-Anord­ nung (16) drei Lichtbündel erzeugt, von denen eines (25) im wesentlichen senkrecht auf die Objektoberfläche trifft, während die beiden anderen (26, 27) unter einem größeren Winkel auf die Objektoberfläche treffen und in senkrecht zueinander angeordneten Ebenen (x/y bzw. y/z) liegen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine vom Shearing-Element bzw. vom optischen System unabhängige Phasenschiebeeinheit (55, 66, 70, 71) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschiebeeinheit (55, 66) Phasenschiebungen in unterschiedliche Richtungen ermöglicht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschie­ beeinheit (55, 66) zur Einstellung einer vorgewählten Phasenschiebung wenigstens ein steuerbares Element (56, 67, 68, 70, 71) aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (56, 67, 68, 70, 71) verschiebbar, drehbar und/oder kippbar gelagert ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschiebeeinheit nach Art eines Michelson-Interferometers aufgebaut ist und zwei Spiegel (70, 71) und einen Strahlteiler (69) aufweist, wobei einer der Spiegel (70, 71) kippbar ausgebildet oder aus kippbaren Segmenten (a, b, c, d) aufgebaut oder mit vorgeord­ netem Shearing-Element (4, 29, 38-44, 52, 62) versehen ist und gleichzeitig als Shearing- Element dient, während der andere Spiegel (70, 71) zur Phasenschiebung verwendet wird.

16. Shearing-Element zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder zur Anwendung in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens zwei neben- und/oder hintereinander angeord­ nete, einfallendes Licht in unterschiedliche Richtungen brechende oder reflektierende Abschnitte aufweist.

17. Shearing-Element nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei, das einfallende Licht in zueinander senkrechte Richtungen ablenkende Abschnitte aufweist.

18. Shearing-Element nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abschnitte aus zwei mit ihren Grundflächen aneinander liegenden, miteinander verbunde­ nen Biprismen (30, 31) bestehen, die um eine zu den Grundflächen senkrechte Achse um 90° relativ zueinander gedreht angeordnet sind.

19. Shearing-Element nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß es als drei- oder mehrseitiges Pyramidenprisma (38-42) ausgebildet ist.

20. Shearing-Element nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß es aus zwei nebeneinander angeordneten optischen Keilen mit gleichen Keilwinkeln (γ) besteht, die eine gemeinsame Eintrittsfläche (45) und zwei Austrittsflächen (47, 48) für das Licht aufweisen, wobei die beiden Austrittsflächen (47, 48) um einen kleinen, moir´artige Muster erzeugen­ den Winkel (τ) relativ zueinander gedreht sind.

21. Shearing-Element nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte aus kippbaren Segmenten (a, b, c, d) eines Spiegels (70, 71) bestehen.