DE10128334A1

DE10128334A1 - Verfahren und Vorrichtung zur gleichzeitigen Beleuchtung von Objekten für die Interferometrische Speckle Shearografie mit verschiedenen Sensitivitätsvektroren aus unabhängig voneinander eingesetzten Strahlquellen

Info

Publication number: DE10128334A1
Application number: DE2001128334
Authority: DE
Inventors: Frank Voessing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2002-08-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsmethode für die Shearografie unter besonderer Berücksichtigung der Anforderungen für die Beleuchtung von gekrümmten Bauteilen mit nicht kooperativen bzw. (matt) glänzenden oder metallischen Oberflächen. Hierdurch wird insbesondere der Einsatz der shearografischen zerstörungsfreien Prüfung ohne spezielle Maßnahmen zur Vermeidung von Reflexionen durch besondere Oberflächenbehandlung mit diffus reflektierenden Farben usw. möglich. Zugleich wird das Objekt aus verschiedenen Winkeln mit mehreren Quellen und wahlweise überlagerten Bereichen beleuchtet, so dass die Intensitäten auch der Objektoberflächenkrümmungen und dessen Reflexionseigenschaften angepasst werden können.

Description

Stand der Technik

Der Vorteil der shearografischen Verfahren (Speckle-Pattern-Shearing-Interferometrie, abgekürzt Shearografie,) i. a. liegt in der Einfachheit und der relativen Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse, z. B. mechanische Schwingungen der Messapparatur. Es lassen sich sowohl in-plane Dehnungen als auch out-of-plane Neigungen ermitteln. Das Verfahren der in-plane Dehnungsmessung wurde in P 4446887.3 ausführlich beschrieben. Zu diesen hier angeführten Veröffentlichungen sei angemerkt, dass auch hier mehrere Beleuchtungsrichtungen bzw. die sich daraus ergebenen Sensitivitätsvektoren genutzt werden. In keinem Fall erfolgt jedoch die Beleuchtung aus verschiedenen Richtungen gleichzeitig. Shearografische Verfahren und die zu ihrem Verständnis notwendigen mathematischen Grundlagen sind dem Fachmann allgemein bekannt (DE 28 06 845 C, 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. J. Durelli in "Simultaneous Measuring of Three Displacement Derivatives Using a Multiple Image-Shearing Interferometric Camera", Journal of Strain Analysis, Vol. 14, No. 3, 1979, S. 81-88).

Zur Vermeidung von Wiederholungen werden alle genannten Dokumente hiermit ausdrücklich zum Gegenstand der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gemacht.

Zur Beobachtung von Objektoberflächen für die Dehnungs- und Neigungsmessung (in-plane und out-of-plane) mittels der Speckle-Pattern-Shearing-Interferometrie, abgekürzt Shearografie, wird die zu untersuchende Objektoberfläche mit kohärentem Licht (Laserstrahl) beleuchtet. Das hierzu kohärente Licht wird bisher nur aus Strahlquellen mit gleichen bzw. nahezu gleichen Beleuchtungswinkeln auf das Objekt gerichtet, so dass ein einheitlicher, bestimmter Sensitivitätsvektor zur Auswertung zur Verfügung steht. Bei der zerstörungsfreien Bauteilanalyse wird hier die Beleuchtungsquelle i. d. R. nahe an der Kamera angeordnet, so dass sich die Beleuchtungsrichtung nahezu parallel bzw. identisch mit der optischen Achse ergibt. Hierdurch können die nicht diffus sondern direkt an der Objektoberfläche reflektierten Strahlen in die Kamera gelangen und so eine lokale Überbelichtung gegenüber dem restlichen Bildbereich erzeugen.

Erfindung

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dass bei der shearografischen Messung die Beleuchtung durch Laserlicht nicht wie sonst üblich durch einen einheitlichen Beleuchtungswinkel (Sensitivität) pro Intensitätsregistrierung der Shearografie-Kamera, sondern hier gleichzeitig mit unabhängig arbeitenden Strahlquellen unter unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln gearbeitet wird. Das neuartige Verfahren und Vorrichtung benötigt insbesondere für die qualitative Analyse z. B. im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung keine genau definierten und gleichen Beleuchtungswinkeln für mehrere Beleuchtungen, so dass eine oder mehrere für sich jeweils kohärente aufgeweitete oder flächenhafte Strahlquellen gleichzeitig von mehreren Richtungen bzw. Beleuchtungsrichtungen - somit unterschiedliche Sensitivitätsvektoren - die Objektoberfläche beleuchten können. Die beleuchteten Bereiche können sich hierbei wahlweise vollständig oder nur bereichsweise überlappen.

Vorteil hierbei ist, dass sich die auf der Bildebene aufgrund der (diffusen) Reflexion an der Objektoberfläche ergebende Intensitäten speziell in Abhängigkeit der Kontur der zu prüfenden Objektoberfläche (z. B. gekrümmte oder ebene Fläche) angepasst und eine gleichmäßige Ausleuchtung erreicht werden kann. Dabei wirkt sich der zusätzliche Freiheitsgrad in Form der Beleuchtungsrichtung dahingehend günstig aus, dass die Einfallswinkel der Strahlen von der Beleuchtungsquelle an die jeweiligen Punkte der Objektoberfläche des Prüfbereichs so gerichtet werden können, dass die jeweiligen korrespondierenden idealen Ausfallswinkel bezüglich der örtlichen Oberflächennormale nicht direkt in die Bildebene des Sensors (Kamera) gerichtet sind und so direkte Strahlungen und Reflexionen in die Kamera und die damit verbundenen Überbelichtung im Verhältnis zum übrigen Teil der Objektoberfläche vermieden werden. Darüber hinaus können auch die einzelnen Lichtquellen der einzelnen Beleuchtungsrichtungen unabhängig voneinander arbeitende nicht kohärente Strahlquellen sein und somit beispielsweise durch mehrere einzelne Laserdioden realisiert werden.

Beschreibung

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 4.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch ein Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Ableitung von in-plane und out-of-plane Verformungsanteilen, wobei hier beispielgebend eine konvex als auch eine konkav gekrümmte Oberfläche ober- und unterhalb der Symmetrieachse gezeigt wird.

Fig. 2 zeigt schematisch im Gegensatz dazu den Aufbau von bekannten, bisher genutzten, konventionellen Verfahren und Vorrichtung mit nur einer Beleuchtungsrichtung. Im Gegensatz zum Fall in Fig. 1 wird hier das Licht bei glänzenden Oberflächen direkt in die Kamera reflektiert.

Das Verfahren und Vorrichtung nach Fig. 1 stellt eine Draufsicht einer Zweistrahlbeleuchtungsmethode dar, das sich aus einem Messkopf (1), dem Beobachtungsfeld (2) bzw. (8) und einer Strahlquellenhalterung (3) einer Shearografie- Messeinrichtung zusammensetzt. Der Messkopf (1) beinhaltet die notwendigen allseits bekannten Bauelemente, die hier nicht näher bezeichnet werden. An der Strahlquellenhalterung (3) werden die zur Messung notwendigen Strahlquellen (4) und (5), die kohärentes Licht aussenden, befestigt. Ihre Ausrichtung erfolgt unter einem frei eingestellten Beleuchtungswinkel auf das zu untersuchende Objekt. Der Beobachtungsstrahl (6) und (7) wird dabei von der Objektoberfläche (9) bzw. (10) reflektiert und über das Beobachtungsfeld (2) registriert. Der Messkopf (1) verarbeitet anschließend die Intensitäten des reflektierten Lichtstrahls nach dem bekannten shearografischen Prinzip.

Neu im Sinne des Verfahrens und Vorrichtung stellt nun die gleichzeitige Nutzung mehrerer kohärenten Lichtquellen (Laserlicht) mit unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln dar, wodurch mit unterschiedlichen Sensitivitätsvektoren gearbeitet wird. Dadurch können sich die beleuchteten Teilbereiche des zu überprüfenden Objektausschnittes sich wahlweise vollständig überschneiden oder auch entsprechend mehr oder weniger überlappen und somit eine Anpassung an die Reflexionseigenschaften der Oberfläche in Abhängigkeit der Oberflächenbeschaffenheit und Krümmung erfolgen. Die sich daraus ergebende Intensität der reflektierenden Lichtstrahlen kann somit einfach der zu prüfenden Objektoberfläche angepasst werden, so dass sich aus Sicht der Shearografiekamera eine gleichmäßige Ausleuchtung erreicht wird. Hierbei können nicht nur ebene, sondern auch konvexe (9) sowie konkave (10) Objektoberflächen geprüft werden.

Durch die Variabilität der Beleuchtungswinkel untereinander können somit die Einfallswinkel der Strahlen von der Beleuchtungsquelle an die jeweiligen Punkte der Objektoberfläche des Prüfbereichs so gerichtet werden, dass die jeweiligen korrespondierenden idealen Ausfallswinkel bezüglich der örtlichen Oberflächennormale nicht direkt in die Bildebene des Sensors (Kamera) gerichtet sind und so direkte Strahlungen vermieden werden.

Die Beleuchtung an gekrümmten Bauteilen mit nicht kooperativen bzw. (matt) glänzenden oder metallischen Oberflächen für die shearografische zerstörungsfreie Prüfung wird dadurch, ohne das zur Vermeidung von Reflexionen eine diffuse Oberfläche durch besondere Oberflächenbehandlung erzeugt werden muss, möglich.

Zur Realisierung dieses Verfahrens und Vorrichtung können die einzelnen Lichtquellen der einzelnen Beleuchtungsrichtungen auch unabhängig voneinander arbeitende nicht kohärente Strahlquellen sein und somit beispielsweise durch mehrere einzelne Laserdioden realisiert werden. Dies stellt zur Realisierung eines Meßsystems eine wichtige und kostenreduzierende Eigenschaft dar.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Beleuchtung von Objekten für die interferometrische Speckle Shearografie, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere für sich jeweils kohärente aufgeweitete oder flächenhafte Strahlquellen gleichzeitig von mehreren Richtungen bzw. Beleuchtungsrichtungen - somit unterschiedliche Sensitivitätsvektoren - die Objektoberfläche beleuchten, die beleuchteten Teilbereiche des zu überprüfenden Objektausschnittes sich wahlweise vollständig überschneiden können oder auch entsprechend mehr oder weniger überlappen, so dass die Beleuchtung bzw. sich daraus auf der Bildebene ergebende Intensität speziell der Kontur der zu prüfenden Objektoberfläche (z. B. gekrümmte oder ebene Fläche) angepasst und eine gleichmäßige Ausleuchtung erreicht werden kann.

2. Verfahren und Vorrichtung zur Beleuchtung von Objekten für die interferometrische Speckle Shearografie nach Anspruch 1, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungswinkel entsprechend so gewählt werden können, dass die Einfallswinkel der Strahlen von der Beleuchtungsquelle an die jeweiligen Punkte der Objektoberfläche des Prüfbereichs so gerichtet sind, dass die jeweiligen korrespondierenden idealen Ausfallswinkel bezüglich der örtlichen Oberflächennormale nicht direkt in die Bildebene des Sensors (Kamera) gerichtet sind und so direkte Strahlungen vermieden werden.

3. Verfahren und Vorrichtung zur Beleuchtung von Objekten für die interferometrische Speckle Shearografie nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lichtquellen der einzelnen Beleuchtungsrichtungen auch unabhängig voneinander arbeitende nicht kohärente Strahlquellen sein können und somit beispielsweise durch mehrere einzelne Laserdioden realisiert werden können.

4. Verfahren und Vorrichtung zur Beleuchtung von Objekten für die interferometrische Speckle Shearografie nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung an gekrümmten Bauteilen mit nicht kooperativen bzw. (matt) glänzenden oder metallischen Oberflächen für die shearografische zerstörungsfreie Prüfung möglich wird, ohne dass zur Vermeidung von Reflexionen eine diffuse Oberfläche durch Sprühkreide erzeugt werden muss.