Single-Frame-Echtzeit-Interferometrie
Single-Frame-Echtzeit-Interferometrie zum Messen von Zustandsänderungen von technischen Objekten
Teilprojekt 4 des Forschungsverbundes für Mikrosystemtechnik FORMIKROSYS IIFür die Messung von Zustandsänderungen an technischen Objekten mit interferometrischen Methoden ist die phasenschiebende Interferometrie ein gängiges Verfahren. Dabei müssen allerdings vor und nach der Änderung mindestens je 3 Interferogramme aufgenommen werden. Da das Phasenschieben mechanisch erfolgt und deshalb mehrere Sekunden dauert, ist dieses Verfahren nur auf sich langsam ändernde Oberflächen anwendbar und empfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen. In der industriellen Messtechnik, wie z.B. der Schwingungsanalyse, müssen aber Veränderungen in einem Zeitbereich von Millisekunden erfasst werden. Für derartige Anforderungen stehen noch keine geeigneten interferometrischen Mess- und Auswerteverfahren zur Verfügung.
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| Beispiel eines Speckle-Interferometers. Quelle: MIKOS, FAU Erlangen-Nürnberg |
Ziel des Vorhabens war die Entwicklung und Realisierung eines Single-Frame-Echtzeit-Interferometers zur Messung von Zustandsänderungen von technischen Objekten, das durch die simultane Aufnahme dreier Phasenbilder die Erfassung con Out-of-Plane-Deformationen innerhalb eines einzigen Kamerabildes ermöglicht. Durch die Verwendung gepulster Laser für die Beleuchtung ist es damit möglich, auch schnelle Objektdeformationen zu erfassen. Für den praktischen Einsatz ist eine kompakte Bauweise des Interferometers nötig, weshalb der Messkopf in Mikrosystemtechnik entwickelt wurde. Die Erfassung der Speckle-Interferogramme erfolgt mit einer hochauflösenden CCD-Kamera, um einen ausreichend großen Messbereich zu erzielen.
Bei FORWISS Passau wurde eine speziell angepasste Auswertealgorithmik entwickelt, um die Kamerabilder weiterzuverarbeiten und eine Rekonstruktion der Deformation zu berechnen. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich dabei durch die Mehrdeutigkeit in Bezug auf die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts (Wrapping-Effekt), welche eine Demodulation notwendig macht, sowie durch den hohen Rauschanteil der Phasenbilder (Dekorrelation).
Zur Lösung des Problems wurde ein hybrider Phase-Unwrapping-Algorithmus entwickelt, welcher mit Hilfe von Polynom-, Fourier- und Splinepassungen die zu Grunde liegende Deformation bestimmt.
| Beispiel-Bilder |
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| Rohphasenbild der Deformation einer mit Ausdünnungen versehenen Eisenplatte. Erkennbar ist der hohe Rauschanteil, sowie der Wrapping-Effekt. | Berechnetes 3D-Deformationsprofil (Erzeugt mittels des hybriden Demodulationsverfahrens) |
Ein Vergleich verschiedener Demodulationsverfahren befindet sich hier.