DE19859801A1

DE19859801A1 - Vorrichtung und Verfahren zur echtzeitfähigen Verformungsdarstellung

Info

Publication number: DE19859801A1
Application number: DE19859801A
Authority: DE
Inventors: Bernward Maehner
Original assignee: Individual
Current assignee: Maehner Bernward 82275 Emmering De
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 2000-07-06
Anticipated expiration: 2018-12-24
Also published as: DE19859801C2; US6584215B1

Abstract

Ein Verfahren und ein Messsystem zur echtzeitfähigen Aufnahme von Verformungsbildern einer Prüflingsoberfläche nutzt ein Speckle-Interferometer, mit dem zunächst zur Vorbereitung der nachfolgenden Bildverarbeitung und Auswertung mehrere gegeneinander phasenverschobene Interferogramme erzeugt werden. Aus diesen Interferogrammen wird eine Normierungsmaske, die als Normierungsdatensatz abgespeichert wird, und ein Referenzbild erzeugt, das ebenfalls abgespeichert wird. Nachfolgend wird zur Beobachtung der sich verformenden Objektoberfläche jedes erzeugte Speckelbild mit dem Referenzbild zu einem Differenzbild verarbeitet, das mit der Normierungsmaske verknüpft wird. Die Normierungsmaske kann einen Datensatz mit bildpunktspezifischen Normierungsdaten enthalten. Die Pixel des Differenzbilds werden dann durch den jeweils zugeordneten Wert des Normierungsdatensatzes dividiert, um ein normiertes Streifenbild der verformten Oberfläche zu erzeugen. Die Elemente des Normierungsdatensatzes können in dem Vorbereitungsschritt bedarfsweise invertiert werden, um bei der Normierung auf eine Multiplikationsoperation zurückgreifen zu können. Dies vereinfacht und beschleunigt die Bildung des normierten Differenzbilds aus dem aufgenommenen Bild erheblich.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Ver fahren zur echtzeitfähigen Ermittlung und Darstellung von Verformungen oder Verschiebungen von Prüfobjekten.

Bei einigen Messaufgaben ist die Verformung oder Verlagerung von insbesondere diffus streuenden Objekt oberflächen präzise zu erfassen, um bspw. den Einfluß einer Krafteinwirkung auf ein Prüfobjekt zu untersuchen. Hierbei wird häufig gewünscht, die Verformung des Prüf objekts bzw. seiner Oberfläche unmittelbar verfolgen zu können, wobei die Oberflächenstruktur oder -Form gele gentlich ohne Interesse ist. Dies möglichst unter Praxis bedingungen, d. h. produktionsnah und mit möglichst kla rer, gut erkennbarer und gut auswertbarer Darstellung der Verformung der Oberfläche.

Zur flächenhaften Erfassung von Verschiebungen oder Dehnungen eines Prüfobjekts mit diffus streuender Ober fläche sind Streifenprojektionsverfahren, wie z. B. das Moireverfahren sowie interferometrische Verfahren, wie bspw. das ESPI-Verfahren (Electronic Speckle Pattern In terferometry) oder das Shearing-Verfahren bekannt. Wäh rend das Moireverfahren eher für größere Verformungen oder Verlagerungen einsetzbar ist, werden die interfero metrischen Verfahren insbesondere für Messungen mit ge ringeren Bewegungswegen dafür jedoch größerer Auflösung eingesetzt. Hinsichtlich der Objektgröße bestehen beim Speckle-Verfahren keine Einschränkungen.

Aus der US-PS 4.660.978 ist ein Shearing-Interfero meter mit fest eingestellter Spiegelverkippung zur Be stimmung von Verwerfungen einer Wellenfront eines opti schen Strahls bekannt. Das Shearing-Interferometer weist einen Strahlteiler auf, der den ankommenden Lichtstrahl mit möglicherweise gekrümmter Wellenfront in zwei Teil strahlen aufteilt und wieder zusammenführt. Die beiden Teilstrahlen werden jeweils von Spiegeln reflektiert. Einer der Spiegel ist mit einer Neigevorrichtung verbun den, während der andere Spiegel mit einer Verschiebeein richtung in Verbindung steht. Die von dem Strahlteiler wieder zusammengeführten Teilstrahlen werden zu einer Kamera geleitet. Für unterschiedliche Spiegelneigungen des neigbaren Spiegels wird nun der verschiebbare Spiegel schrittweise verstellt. Aus den sich an der Kamera er gebenden Helligkeits- oder Intensitätswerten kann die Phasenlage des Strahls bestimmt werden, woraus sich Daten über die Krümmung der Wellenfront berechnen lassen.

Ähnliche Einrichtungen lassen sich zur Untersuchung von Verformungen von Objektoberflächen nutzen. Bspw. wer den dazu zwei Zustände eines Prüfobjekts verglichen, in dem das Objekt in zwei unterschiedlichen Belastungszu ständen aufgenommen und die Interferogramme der beiden Zustände subtrahiert werden. Hierdurch ergibt sich ein Differenzinterferogramm, welches je nach verwendetem Messprinzip entweder die Verschiebung oder die Dehnung des Objekts zwischen den beiden Zuständen in Form von Interferenzlinien darstellt. Der Betrag der Verschiebung oder Dehnung an einem Bildpunkt des Differenzinterfero gramms kann dann bspw. durch Abzählen der Interferenzli nien ausgehend von einem Bildpunkt mit bekannter Ver schiebung oder Dehnung und unter Berücksichtigung der verwendeten Lichtwellenlänge bestimmt werden.

Wird der Messkopf ähnlich wie bei dem oben beschrie benen Shearing-Verfahren mit einer Phasenschiebeeinheit ausgerüstet, kann eine erweiterte Auswertung nach dem Prinzip des Phasenshiftverfahrens durchgeführt werden (W. Osten "Digitale Verarbeitung und Auswertung von Interfe renzbildern" Kapitel 6, Akademieverlag ISBN3-OS-501294- 1). Hierbei werden Phasenbilder erzeugt, die jedem Bild punkt einen bestimmten Phasenwinkel zuordnen. Werden die Phasenbilder von zwei Zuständen des Objekts subtrahiert, erhält man ein Phasendifferenzbild. Im Gegensatz zu dem oben genannten Differenzinterferogramm zeigt das Phasen differenzbild nicht sinusförmig modulierte Interferenzli nien, sondern direkt den Phasendifferenzwinkel zwischen den beiden Zuständen des Objekts.

Bei dem Phasenshiftverfahren muss das zu untersu chende Objekt zur Aufnahme aufeinander folgender Bilder des gleichen Objektzustands mit unterschiedlicher Phasen lage in absoluter Ruhe verharren.

Um hier abzuhelfen, offenbart die DE 38 43 396 C1 ein Verfahren, das unter der Bezeichnung "Direkte Phasenmes sung" oder "Räumliches Phasenshiftverfahren" bekannt ist. Dieses Verfahren benötigt nur noch eine Gitterprojektion bzw. ein Kamerabild, um 2π-modulierte Phasenbilder zu berechnen.

Hierbei wird vorausgesetzt, dass die Periodenlänge im Streifenbild einer konstanten Anzahl von Pixeln ent spricht und dass die Hintergrundintensität benachbarter Pixel identisch ist. Dies stellt eine grobe Näherung an die tatsächlichen Verhältnisse dar, was zu Phasenfehlern führt.

Bei der Prüfung von technischen Objekten kommt es darauf an, die Auswertung von Differenzinterferogrammen zu erleichtern, um Objektfehlstellen oder sonstige durch die Verformung erkennbare Besonderheiten an dem Prüfob jekt deutlich erkennbar zu machen. Aus der US-PS 5.091.776 ist es bekannt, ein erhaltenes Differenzbild vor der Anzeige gleichzurichten, d. h. punktweise den Be trag der Differenz zu bilden. Der erzeugte Absolutwert der Differenz kann über einen Verstärker außerdem mit einem konstanten Faktor multipliziert werden, womit der Bildkontrast insgesamt beeinflussbar ist.

Ortsabhängig schwankende Lichtverhältnisse können hier zu einer eingeschränkten Auswertbarkeit der erhalte nen Bilder führen.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine echtzeitfähige Vorrichtung und ein echtzeitfähiges Ver fahren zur Ermittlung und Darstellung von Verformungen von Prüfobjekten zu schaffen, die bzw. das eine verbes serte Bildqualität liefert.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 und dem Messsystem gemäß Anspruch 18 gelöst.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt, dem Anfangsschritt, anhand ei nes Satzes phasenverschobener Bilder des interessierenden Objektoberflächenbereichs ein Normierungsdatensatz er zeugt, der für jeden Bildpunkt spezifische Normierungs information enthält. Dieser Normierungsdatensatz ist spe zifisch für den im Sichtfeld einer Bildaufnahmeeinrich tung befindlichen Bereich einer Objektoberfläche. Der Normierungsdatensatz wird gespeichert und für die weitere Nachbehandlung der von dem gleichen Oberflächenbereich aufgenommenen Bilder bereitgehalten und verwendet. Der Normierungsdatensatz enthält für jeden Bildpunkt Informa tion über die Amplitude, mit der sich die Bildpunkthel ligkeit oder Intensität ändert, wenn eine Phasenverschie bung vorgenommen wird. Damit stellt der Normierungsdaten satz einen für jeden Bildpunkt spezifischen Verstärkungs- oder Normierungsfaktor dar. Durch Anwendung dieses Normierungsdatensatzes auf die erzeugten Differenzbilder, wird ein zur Darstellung auf einem Monitor geeignetes Bild erhalten, das an jedem Bildausschnitt einen gleich guten Kontrast aufweist.

Das Verfahren eignet sich sowohl zur Vermessung von Objektverformungen in der Streifenlichtmethode, als auch bspw. mittels Specklemodulation. In beiden Fällen ergibt sich eine deutliche Verbesserung der Bildqualität gegen über einem nicht korrigierten Verfahren.

Um eine Verformung eines Prüfobjekts gegenüber einem Ausgangszustand darzustellen, ist es zweckmäßig, ein Re ferenzbild abzuspeichern, das zur Differenzbilderzeugung mit einem jeweils aktuell aufgenommenen Bild herangezogen wird. Es ist dabei möglich, sich bewegende Objektoberflä chen aufzunehmen. Bewegt sich das Messobjekt während der Zeit, die eine Kamera zum Auslesen ihres Bildsensors be nötigt, stellt dies keine prinzipielle Störung der Bild aufnahme dar. Es ist deshalb möglich, das Prüfobjekt fortlaufend mit der Kamera zu beobachten, wobei punkt weise die Differenz zwischen dem aktuell ankommenden Bild und dem gespeicherten Referenzbild gebildet wird. Diese punktweise berechneten Differenzwerte werden mit dem je weils punktspezifischen Amplitudenwert der Streifen- bzw. Specklemodulation normiert und als normiertes Differenz wertbild dargestellt.

Es ist in vielen Fällen zweckmäßig, aus dem Diffe renzbild pixelweise ein Betragswertbild zu erzeugen. Dies verbessert die Darstellung. Der Nulldurchgang des sinus förmigen Intensitätsverlaufs eines Speckles wird schwarz und positive wie negative Werte werden mit Grauwerten dargestellt.

Zur Bestimmung eines anzuzeigenden Bilds des aktuel len Zustands des Prüfobjekts, wird nur ein aktuelles Ka merabild und das im Rechner gespeicherte Referenzbild sowie der Normierungsdatensatz benötigt. Das Verfahren ist deshalb echtzeitfähig, d. h. von der Kamera aufgenom mene Bilder können sofort verarbeitet und auf dem Monitor angezeigt werden. Ein entsprechend leistungsfähiges Rech nersystem gestattet hohe Bilderneuerungsfrequenzen.

Durch die pixelweise Normierung der Grauwerte des Ergebnisbilds wird dieses messfähig, d. h. es können in dem Ergebnisbild Messungen bspw. zur Bestimmung von Strukturdefekten vorgenommen werden. Außerdem kann das Bild als Farbbild angezeigt werden. Durch die Beseitigung der Abhängigkeit des Ergebniswerts D_N(x,y) von der Inten sitätsamplitude I_A(x,y) wird überdies jede automatische Auswertung der korrigierten Interferenzlinienmuster we sentlich erleichtert, da nun

D_N(x,y) = k × sinϕ(x,y)

mit einem konstanten, ortsunabhängigen Wert k für alle Bildpunkte vorausgesetzt werden darf.

Vorzugsweise werden zur Erzeugung eines Normierungs datensatzes, d. h. vor Beginn der Wiedergabe der Bewegung der Objektoberfläche im Interferenzbild oder mittels der Streifenprojektion, wenigstens drei, vorzugsweise vier Interferenzmuster oder Streifenprojektionsmuster mit un terschiedlicher Phasenlage aufgenommen. Dazu wird z. B. eine Bildaufnahmeeinrichtung genutzt, die eine Lichtquel le zur Beleuchtung der Objektoberfläche mit kohärentem Licht aufweist. Von der Objektoberfläche rückgestreutes diffuses Licht wird bspw. mit einem Interferometer aufge nommen, das das über ein Objektiv erfaßte Licht in zwei Teilstrahlen aufteilt, die dann wieder zusammengeführt und zu einer Kamera geleitet werden. Einer der Teilstrah len wird bspw. durch gezielte Bewegung eines Spiegels mit einem geeigneten Aktuator, bspw. einem Piezoantrieb de finiert verstellt, so dass eine Phasenverschiebung zwi schen den Teilstrahlen zustande kommt. Es können z. B. vier Bilder mit jeweils um π2 versetzter Phasenlage auf genommen werden. Damit liegen für jeden Bildpunkt vier Helligkeits- oder Intensitätswerte vor, aus denen sich die Helligkeitsamplitude I_A für den betreffenden Bildpunkt bestimmen lässt. Nur bei dieser zu dem Vorbereitungs schritt gehörigen Maßnahme muß die Objektoberfläche in Ruhe bleiben. Ist ein aufgenommenes Bild als Referenzbild abgespeichert und der Normierungsdatensatz bestimmt, kann die Objektoberfläche etwas bewegt werden. Das erhaltene neue Specklemuster wird zur Erzeugung eines Streifen bilds, das die Bewegung der Objektoberfläche kennzeich net, punktweise von dem Referenzbild subtrahiert und nach eventueller Betragbildung punktweise durch den bildpunkt spezifischen Amplitudenwert dividiert. Die Reihenfolge von Normierung und Differenzbildung bzw. Betragsbildung ist unerheblich. Sie kann auch umgekehrt werden.

Werden die Einzelbilder von der Bildaufnahmeeinheit in Specklemesstechnik gewonnen, können einzelne Bildpunk te auftreten, deren Helligkeitswert in dem Anfangsschritt phasenunabhängig ist. Für diese Bildpunkte können bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens und des Messsystems Ersatzwerte zur Anzeige gebracht werden. Diese können aus den Nachbarpunkten, bspw. durch Mittel wertbildung, gebildet werden. Außerdem kann es vorteil haft sein, das durch Differenzbildung und Normierung er haltene Ergebnisbild mit einem Tiefpass zu glätten. Auf diese Weise kann Bildrauschen vermindert werden. Außerdem ist es möglich, das Ergebnisbild auf den Graubereich zu skalieren, der auf einem Monitor darstellbar ist.

Vorteilhafte Einzelheiten von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschrei bung oder Unteransprüchen.

In der Zeichnung ist unter anderem ein Ausführungs beispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 ein Messsystem zur Echtzeitaufnahme der Ver formung eines Oberflächenabschnitts eines Prüflings, in schematisierter Darstellung,

Fig. 2 das Messsystem nach Fig. 1, als teilweises Blockschaltbild,

Fig. 3 einen Ablauf zur Bilderfassung und Aufberei tung von an einem Prüfling aufgenommenen Interferenzbil dern als Ablaufplan,

Fig. 4 ein Monitorbild einer verformten Objektober fläche, ohne Anwendung eines Korrekturdatensatzes auf erzeugte Differenzbilder, und

Fig. 5 eine Darstellung der Verformung einer Objekt oberfläche mit Nachbearbeitung eines erhaltenen Diffe renzbildes mit dem Korrekturdatensatz.

In Fig. 1 ist ein Messsystem 1 veranschaulicht, das zur Inspektion der Oberfläche eines Prüfobjekts 2 und deren Verformungen dient. Das Prüfobjekt 2 wird mit La serlichtquellen 3, 4 möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet. Die Laserlichtquellen 3, 4 können an einem als Aufnahmee inheit ausgebildeten Messkopf 5 vorgesehen und ortsfest an diesem gelagert sein. Der Messkopf 5 kann bedarfsweise verstellbar gelagert sein.

Zu dem Messkopf 5 gehört ein Objektiv 6, das die von der Oberfläche des Objekts 2 diffus zurückgestreute Strahlung aufnimmt und an eine Optik 7 weiterleitet. Die se ist als Interferometer aufgebaut. Das von dem Objektiv 6 abgegebene Licht gelangt zu einem Strahlteiler 8, der den ankommenden Lichtstrahl in zwei Teilstrahle aufsplit tet. Jedem Teilstrahl ist ein Spiegel 9, 10 zugeordnet. Der Spiegel 10 ist in Strahlrichtung, d. h. im Wesentli chen parallel zu seiner eigenen normalen Richtung ver stellbar gelagert. Dazu dient ein Piezo-Stellelement 11. Die von den Spiegeln 9, 10 zurückgeworfenen Strahlen wer den von dem Strahlteiler 8 zu einem Strahl überlagert, in dem sich entsprechend der Form der Objektoberfläche und der Positionierung des Spiegels 10 Interferenzmuster aus bilden. Diese werden von einer Kamera 12 mit einem ge eigneten Objektiv 14 aufgenommen.

Der Messkopf 5 ist an einen Rechner 15 angeschlos sen, der der Bildverarbeitung und der Steuerung des Mess kopfs 5 dient. Dazu ist die Kamera 12 über eine Signal leitung 16 mit dem Rechner 15 verbunden, über die dem Rechner 15 Bildsignale zugeführt werden. Das Piezo-Stell element 11 ist über eine Signalleitung 17 mit dem Rechner 15 verbunden. Damit kann der Rechner die Phasenbeziehung zwischen den Teilstrahlen in dem Interferometer 7 steu ern.

Zu dem Rechner 5 gehört eine Anzeigeeinrichtung oder ein Monitor 18 und eine Eingabeeinheit 19. Der Rechner 15, der Monitor 18 und die Eingabeeinheit 19 bilden ins gesamt ein Bildverarbeitungssystem 20.

Wie sich aus Fig. 2 ergibt, gehört zu dem Rechner im Wesentlichen eine Recheneinheit 21 und eine Speicher einheit 22, wobei die Speichereinheit 22 in funktionell und strukturell unterschiedliche Speichereinheiten unter teilt sein kann.

Mit dem insoweit beschriebenen Messsystem 1 wird das Prüfobjekt 2 bzw. dessen Oberfläche folgendermaßen be obachtet:

Zunächst wird das Prüfobjekt 2 ruhend gelagert und mit konstanten äußeren Kräften F1, F2 beaufschlagt. Diese Kräfte können auch Null sein. Das Mess- bzw. Dar stellungsverfahren wird nun mit einer Anfangsschrittfolge begonnen, in der ein Normierungsdatensatz erzeugt wird. Während der Anfangsschrittfolge bleibt die Oberfläche des Prüfobjekts 2 in Ruhe. Zur Durchführung der Anfangs schrittfolge wird das Piezo-Stellelement 11 in eine Ruhe position gebracht, so dass beide Spiegel 9, 10 ruhen. Das von den Laserlichtquellen 3, 4 abgegebene und von der Objektoberfläche zurückgestreute Licht interferiert nun in dem Interferometer 7 und ergibt in der Kamera 12 ein Specklebild, das von der Recheneinheit 21 übernommen und zunächst in der Speichereinheit 22 zwischengespeichert wird. Ist das Bild aufgenommen, gibt die Recheneinheit 21 ein Stellsignal an das Piezo-Stellelement 11 und ver schiebt dadurch den Spiegel 10 bspw. um eine viertel Lichtwellenlänge λ/4, das ist π/2. Das von der Kamera 12 erfaßte Interferenzmuster (Specklebild) ändert sich da durch. Die einzelnen Speckles ändern ihren Helligkeits wert sinusmoduliert. Es wird nun das π/2-phasenverschobe ne Specklebild aufgenommen. In einem nächsten zu der Anfangsschrittfolge gehörigen Schritt wird, sobald das π/2-Bild aufgenommen ist, das Piezoelement 11 um weitere π/2 auf den Wert π verstellt. Das nun erzeugte Speckle bild unterscheidet sich wiederum von den vorerzeugten Bildern und wird von der Recheneinheit 21 in die Spei chereinheit 22 überführt. Schließlich wird noch ein um 3π/2-phasenverschobenes Specklebild aufgenommen. Alle vier Bilder sind nun in der Speichereinheit 22 abgespei chert. Für jeden Bildpunkt (x,y) liegen somit vier Mess werte I₁, I₂, I₃, I₄ vor. Diese verhalten sich wie folgt:

I₁(x,y) = I₀(x,y) + I_A(x,y) sinϕ(x, y)

I₂(x,y) = I₀(x,y) + I_A(x,y) sin(ϕ(x,y) + π/2)

I₃(x,y) = I₀(x,y) + I_A(x,y) sin(ϕ(x,y) + π)

I₄(x,y) = I₀(x,y) + I_A(x,y) sin(ϕ(x,y) + 3π/2)

wobei
I₁(x,y) = Intensität des Bildpunkts (x,y) des nicht phasenverschobenen Bilds,
I₂(x,y) = Intensität des Bildpunkts (x,y) des um π/2 phasenverschobenen Bilds,
I₃(x,y) = Intensität des Bildpunkts (x,y) in dem um π phasenverschobenen Bild, und
I₄(x,y) = Intensität des Bildpunkts (x,y) in dem um 3/2 π phasenverschobenen Bild,
I₀(x,y) = Hintergrundintensität des jeweiligen Bildpunkts (x,y),
I_A(x,y) = Intensitätsamplitude der Specklemodu lation des Bildpunkts (x,y), und
ϕ(x,y) = Phasenwinkel des Bildpunktes (x,y).

Die Intensitätsamplitude I_A(x,y) des jeweiligen Bild punkts (x,y) ergibt sich dann wie folgt:

Bedarfsweise kann die Intensitätsamplitude jedoch auch aus anderen Kombinationen von Bildern und Phasenverschie bewinkeln berechnet werden. Bspw. können anstelle der vier phasenverschobenen Bilder auch lediglich drei Bilder herangezogen werden.

Ist für jeden Bildpunkt die Intensitätsamplitude I_A bestimmt, bildet diese einen Normierungsdatensatz, der für jeden Bildpunkt (x,y) ein spezifisches Normierungs datum enthält. Dieser Normierungsdatensatz wird in der Speichereinheit 22 abgespeichert. Außerdem wird bspw. das letzte Bild I₄(x,y) als Referenzbild R(x,y) in der Spei chereinheit 22 abgespeichert. Die Anfangsschrittfolge ist aus Fig. 3 ersichtlich. Ist sie durchlaufen, kann die eigentliche Verformungsdarstellung beginnen. Dazu führt das Bildverarbeitungssystem 20 im sich ständig wiederholenden Zyklus folgende Programmschritte aus:

- von der Kamera 12 wird ein neues Bild B(x,y) eingelesen,
- für alle Bildpunkte werden nun folgende Opera tionen durchgeführt:
- - Von dem gespeicherten Referenzbild R(x,y) wird das neue von der Kamera 12 gelieferte Bild B(x,y) subtrahiert. Es entsteht da durch punktweise das Differenzbild D(x,y).
- - Jeder Bildpunkt D(x,y) des Differenzbilds wird durch den ihm zugeordneten Intensi tätswert I_A(x,y), d. h. den Intensitätswert I_A für den gleichen Bildpunkt dividiert. Es entsteht dadurch das normierte Differenz bild D_N(x,y). Diese Operationen werden für jeden Bildpunkt einzeln durchgeführt.
- - Das normierte Differenzbild D_N(x,y) wird auf den Grauwertbereich skaliert.
- - Schließlich wird das normierte und skalierte Differenzbild auf dem Monitor 18 angezeigt.

Während das Referenzbild R(x,y) und das von der Ka mera aufgenommene Bild B(x,y) Specklebilder sind, ist das Differenzbild D(x,y) ein Bild, das, wenn sich das Kamera bild B(x,y) von dem Referenzbild R(x,y) unterscheidet, ein klares Streifenmuster zeigt. Sind die Bilder B(x,y) und R(x,y) identisch, hat keine Verlagerung der Objekt oberfläche stattgefunden und es wird unabhängig von der Oberflächengestalt ein Bild gleichmäßiger Färbung er zeugt, bspw. ein glatt weißes Bild. Eine Verlagerung der Prüflingsoberfläche zwischen dem Zeitpunkt der Aufnahme des Referenzbilds R(x,y) und der Aufnahme des Kamerabilds B(x,y) ergibt das oben genannte Streifenmuster. Die dar gestellten Streifen können dabei wie Höhenlinien gelesen werden, wobei die Anzahl der abzählbaren Streifen die Höhenänderung charakterisiert. Nach Normierung des Diffe renzbilds D(x,y) ergibt sich das auf dem Monitor 18 dar zustellende normierte Differenzbild D_N(x,y), das auf sei ner gesamten Fläche einen gleichmäßigen Kontrast gestat tet. Dies unabhängig von der lokalen Ausleuchtung und den lokalen Reflexionseigenschaften der Objektoberfläche. Dies ist insbesondere anhand der Fig. 4 und 5 ersicht lich. In Fig. 4 ist das Differenzbild D(x,y) dar gestellt, während Fig. 5 das normierte Differenzbild D_N(x,y) wiedergibt. Die Lesbarkeit ist klar verbessert.

Bei einem etwas abgewandelten Verfahren wird aus dem Differenzbild D_N(x,y) vor oder nach der Normierung ein Absolutwertbild erzeugt, indem punktweise der Betrag des Differenzbilds |D(x,y)| gebildet wird. Dieses wird dann, falls es nicht schon normiert ist, zur Erzeugung des nor mierten Differenzbilds D_N(x,y) normiert.

Die Kamera 12 gibt die Specklebilder der Objektober fläche mit festgelegter Frequenz ab. Jedes von der Kamera 12 abgegebene Bild wird nach dem oben erläuterten Algo rithmus bearbeitet und auf dem Monitor 18 angezeigt. Be wegt sich die Objektoberfläche während der Aufnahme des Bilds, stört dies die Bildverarbeitung und die Bildwie dergabe nicht. Werden die einzelnen Bildpunkte zueinander zeitversetzt aufgenommen und ergibt sich während der Bildaufnahme eine Bewegung der Prüflingsoberfläche, wer den auf dem Monitor 18 in unterschiedlichen Bildbereichen zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommene Verformungen angezeigt und wiedergegeben. Bei einer hohen Bildabtast frequenz und einer hohen Bildwiedergabefrequenz von bspw. 10, 16 oder 25 Hertz stört dies die Bildbeobachtung nicht. Damit eignet sich das Messsystem 1 zur Beobachtung von Verformungen von Werkstückoberflächen in Echtzeit.

Wird der Prüfling nun, wenn sich das Messsystem in der in Fig. 3 unten dargestellten Schleife zur Echtzeit bildwiedergabe befindet, mit wechselnden Kräften F₁, F₂ beaufschlagt, können die entstehenden Verformungen der Prüflingsoberfläche als auf dem Monitor 18 entstehendes Streifenmuster beobachtet werden. Mit zunehmender Verfor mung nimmt die Anzahl und Dichte der Streifen zu. Es kann somit direkt verfolgt werden, wie Verformungen entstehen. Dabei ist während der Echtzeitbildwiedergabe keine Pha senverschiebung mit den Spiegeln 9, 10 vorzunehmen. Für jede Einzelbilddarstellung genügt die Aufnahme eines ein zigen Kamerabildes.

In den von der Kamera 12 gelieferten Specklebildern B(x,y) existieren Punkte oder Pixel, die ihren Hellig keitswert bei einer Verschiebung des Spiegels 10 nicht ändern. Diese speziellen Bildpunkte werden schon in der Anfangsschrittfolge aufgefunden und bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens einer gesonderten Behand lung unterworfen. Die Bildpunkte, die bei der Aufnahme der phasenverschobenen Bilder keine Intensitätsmodulation zeigen, haben die Intensitätsamplitude Null. In diesem Fall wird dem betreffenden Bildpunkt ein Helligkeits- oder Intensitätswert zugeordnet, der aus umliegenden Bildpunkten errechnet worden ist. Bspw. kann das arithme tische Mittel gewählt werden. Hierdurch erhält man im Ergebnis eine flächig geschlossene Bildinformation, die nicht durch Fehlstellen perforiert ist. Die Fehlstellen sind spezifisch für den jeweiligen Objektoberflächenbe reich, der beobachtet wird. Sie sind auch für die nach folgende Echtzeitbildwiedergabe an den gleichen Stellen vorhanden, wie bei der Aufnahme des Referenzbildes. Zur Beseitigung der Fehlstellen können für die betreffenden Bildpunkte Ersatzwerte aus den umliegenden Bildpunkten gebildet werden. Bspw. kann wiederum das arithmetische Mittel verwendet werden. Die Fehlstellenkorrektur kann bei der Speckleinterferometrie nur im Differenzbild vor genommen werden. Im Referenzbild R und im Bild B ist die Nachbarschaftsbeziehung der Bildpunkte undefiniert.

Ein Verfahren und ein Messsystem zur echtzeitfähigen Aufnahme von Verformungsbildern einer Prüflingsoberfläche nutzt ein Speckle-Interferometer, mit dem zunächst zur Vorbereitung der nachfolgenden Bildverarbeitung und Aus wertung mehrere gegeneinander phasenverschobene Interfe rogramme erzeugt werden. Aus diesen Interferogrammen wird eine Normierungsmaske, die als Normierungsdatensatz abge speichert wird, und ein Referenzbild erzeugt, das eben falls abgespeichert wird. Nachfolgend wird zur Beobach tung der sich verformenden Objektoberfläche jedes erzeug te Specklebild mit dem Referenzbild zu einem Differenz bild verarbeitet, das mit der Normierungsmaske verknüpft wird. Die Normierungsmaske kann einen Datensatz mit bild punktspezifischen Normierungsdaten enthalten. Die Pixel des Differenzbilds werden dann durch den jeweils zugeord neten Wert des Normierungsdatensatzes dividiert, um ein normiertes Streifenbild der verformten Oberfläche zu er zeugen. Aus den Elementen des Normierungsdatensatzes kön nen in dem Vorbereitungsschritt bedarfsweise Reziprok werte gebildet werden, um bei der Normierung auf eine Multiplikationsoperation zurückgreifen zu können. Dies vereinfacht und beschleunigt die Bildung des normierten Differenzbildes D_N(x,y) aus dem aufgenommenen Bild B(x,y) erheblich. Die Bildung der Reziprokwerte, die mit einer Divisionsoperation verbunden ist und vergleichsweise mehr Rechenaufwand erfordert, muß zur Erzeugung des Normie rungsdatensatzes zu Beginn jeder Echtzeitdarstellung le diglich ein einziges Mal durchgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zur echtzeitfähigen Ermittlung und Dar stellung von Verformungen an bzw. Verschiebungen von Prüfobjekten, bei dem
in einer Anfangsschrittfolge ein Normierungsdaten satz (I_A(x,y)) erzeugt wird, der Normierungsinformation für jeden Bildpunkt (x, y) enthält,
aus wenigstens zwei nacheinander aufgenommenen, aus Bildpunkten (x,y) bestehenden Bildern (R(x,y), B(x,y)) ein Differenzbild (D(x,y)) erzeugt wird und
die Helligkeitswerte der Bildpunkte (x, y) des Dif ferenzbildes (D(x,y)) mit dem Normierungsdatensatz (I_A(x,y)) korrigiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Bilder Interferenzmuster sind, die mit dem von der Objektoberfläche reflektierten oder gestreuten Licht erzeugt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Bilder Streifenprojektionsmuster sind, die durch Streifenlichtbeleuchtung der Objektoberfläche er zeugt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass ein Referenzbild (R(x,y)) aufgenommen und abge speichert wird und dass laufend weitere Bilder (B1(x,y), B2(x,y), B3(x,y) . . .) aufgenommen werden, die mit dem Referenzbild (R(x,y)) jeweils zu einem Differenzbild (D(x,y) oder |D(x,y)|) oder verarbeitet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, dass die Differenzbilder (D(x,y) oder |D(x,y)|) je weils mit dem Normierungsdatensatz (I_A(x,y)) oder 1/I_A(x,y)) korrigiert als Ergebnisbild und nacheinander auf einem Monitor wiedergegeben werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass zur Korrektur des erzeugten Differenzbildes der Helligkeitswert jedes Bildpunkts durch einen dem Bild punkt (x,y) zugeordneten Wert (I_A(x,y) oder /I_A(x,y)) di vidiert oder multipliziert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, dass zur Erzeugung des Normierungsdatensatzes (I_A(x,y)) nacheinander wenigstens drei Interferenzmuster oder Streifenprojektionsmuster in unterschiedlicher Pha senlage aufgenommen werden, wobei das Interferenzmuster bzw. das Streifenmuster jeweils punktweise eine Hellig keit aufweist, die sinusförmig von der Phasenlage des Lichts abhängig ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, dass zur Erzeugung des Normierungsdatensatzes nach einander vier Bilder mit um jeweils π/2 versetzter Pha senlage aufgenommen werden, wobei gilt:
I₁(x,y) = I₀(x,y) + I_A(x,y) sinϕ(x,y)
I₂(x,y) = I₀(x,y) + I_A(x,y) sinϕ(x,y) + π/2)
I₃(x,y) = I₀(x,y) + I_A(x,y) sin(ϕ(x,y) + π)
I₄(x,y) = I₀(x,y) + I_A(x,y) sin(ϕ(x,y) + 3π/2).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, dass aus den vier Helligkeitswerten (I₁(x,y)) bis (I₄(x,y)) bildpunktweise der an dem Bildpunkt anzutreffen de Amplitudenwert I_A(x,y) bestimmt wird, indem die Quadra te aus den Differenzen um π versetzter Meßwerte addiert werden und aus der Summe die Wurzel gezogen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, dass zu jedem Amplitudenwert I_A(x,y) der Reziprokwert 1/I_A(x,y) gebildet und in dem Korrekturdatensatz als Kor rekturwert abgespeichert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass der Normierungsdatensatz während einer Folge nacheinander bei bewegter Objektoberfläche aufgenommener Bilder unverändert bleibt.

12. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, dass das Referenzbild (R(x,y)) während einer Folge nacheinander bei bewegter Objektoberfläche aufgenommener Bilder (B1(x,y), B2(x,y), B3(x,y), . . .) unverändert bleibt.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass an Bildpunkten (x,y), bei denen die Helligkeit phasenunabhängig unverändert bleibt, Ersatzwerte gebildet werden, die zu visuellen Darstellung des Ergebnisbilds verwendet werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, dass die Ersatzwerte aus den Umgebungspunkten, vor zugsweise durch Mittelwertbildung gebildet werden.

15. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, dass das Ergebnisbild vor der Anzeige tiefpassgefil tert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, dass das Ergebnisbild so skaliert wird, dass der von einem Bildwiedergabesystem darstellbare Graubereich vollständig ausgenutzt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das normierte und gefilterte Ergebnisbild zur rechnergestützten Bestimmung von Eigen schaften des Prüfobjekts, insbesondere Strukturdefekten, herangezogen wird.

18. Messsystem (1) zur echtzeitfähigen Ermittlung und Darstellung von Verformungen an bzw. Verschiebungen von Prüfobjekten (2),
mit einer Aufnahmeeinheit (5), die ein von der Ober flächenform und/oder der Oberflächenbeschaffenheit des Prüfobjekts (2) abhängiges Muster erfasst und dem Muster entsprechende Signale erzeugt, die von einer Verformung und/oder Verlagerung der Oberfläche des Prüfobjekts (2) abhängig sind,
mit einer Bildverarbeitungseinheit (20), die eine Recheneinheit (21) und eine Speichereinheit (22) aufweist und die aus einem ersten Bild oder einer ersten Bildserie einen Korrekturdatensatz (I_A(x,y)) erzeugt, der in der Speichereinheit (22) abgelegt wird und mit dem die Re cheneinheit (21) jedes weitere aufgenommene Bild (B(x,y)) punktweise verknüpft, und
mit einer Anzeigeeinrichtung (18), auf der die von der Aufnehmeeinheit (5) aufgenommenen und von der Rechen einheit (21) nachbearbeitet Bilder dargestellt werden.

19. Messsystem nach Anspruch 18, dadurch gekenn zeichnet, dass die Anzeigeeinheit (21) die von der Re cheneinheit (21) nachbearbeiteten Bilder (D_N(x,y)) sofort anzeigt.

20. Messsystem nach Anspruch 18, dadurch gekenn zeichnet, dass die Bildverarbeitungseinheit (20) ein Re ferenzbild (R(x,y)) erzeugt, mit dem alle weiteren aufge nommenen Bilder (B(x,y)) zu verknüpfen sind, vorzugswei se, indem punktweise die Differenz zwischen dem aufgenom menen Bild (B(x,y)) und dem Referenzbild (R(x,y)) gebil det wird, wonach das Differenzbild (D(x,y)) punktweise mit dem Korrekturdatensatz (I_A(x,y)) verknüpft wird.

21. Messsystem nach Anspruch 20, dadurch gekenn zeichnet, dass der Korrekturdatensatz (I_A(x,y)) von der Recheneinheit (21) auf jedes Differenzbild (D(x,y)) ange wendet wird.

22. Messsystem nach Anspruch 21, dadurch gekenn zeichnet, dass die Recheneinheit (21) die den Bildpunkten (x,y) des Differenzbildes (D(x,y)) zugeordneten Hellig keitswerte durch den jeweils zugeordneten Wert des Kor rekturdatensatzes (I_A(x,y)) dividiert oder mit einem vor zugsweise vorab berechneten Reziprokwert (1/I_A(x,y)) mul tipliziert.

23. Messsystem nach Anspruch 22, dadurch gekenn zeichnet, dass die Recheneinheit (21) den Korrekturdaten satz nach Anspruch 9 oder 10 bildet.

24. Messsystem nach Anspruch 18, dadurch gekenn zeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (5) ein Interferometer (7) ist.

25. Messsystem nach Anspruch 24, dadurch gekenn zeichnet, dass das Interferometer (7) eine Phasenmodula tionseinrichtung (10, 11) aufweist.

26. Messsystem nach Anspruch 18, dadurch gekenn zeichnet, dass die Aufnahmeeinheit (5) eine Streifenbe leuchtungseinrichtung aufweist.