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1 Ferienakademie 2005 Speckle-Interferometrie Markus Brache.

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Präsentation zum Thema: "1 Ferienakademie 2005 Speckle-Interferometrie Markus Brache."—  Präsentation transkript:

1 1 Ferienakademie 2005 Speckle-Interferometrie Markus Brache

2 2 Ferienakademie 2005 1 Motivation Was ist Speckle-Interferometrie? - Optisches Messverfahren - Vermessung von optisch rauhen Oberflächen - Verwendung von Laserlicht - Auflösungsvermögen von etwa einer Wellenlänge - Keine Beeinflussung des Messobjektes - Kurze Messzeiten

3 3 Ferienakademie 2005 Gliederung 1 Andere Messverfahren 2 Grundlagen 3 Speckle-Interferometrie 4 Phasenschieben

4 4 Ferienakademie 2005 1 Andere Messverfahren 1.1 Berührende Messverfahren 1.2 Berührungsloses Messverfahren

5 5 Ferienakademie 2005 1 Andere Messverfahren 1.1 Berührende Messverfahren - Punktweise Abtastung relativ zu einem Bezugsniveau mit Diamantnadel - Berechnung der Form des Objektes aus den Koordinaten der Rasterpunkte und zugehörigen Abtastwerten Nachteile: - Mechanische Beanspruchung der Oberfläche - Bei weichen Oberflächen nur begrenzt einsetzbar - Messgerät muss nah am Objekt liegen

6 6 Ferienakademie 2005 1 Andere Messverfahren 1.2 Berührungsloses Messverfahren Autofokus-Mikroskop Diode 1 0 Diode 2 0 Diode 1 1 Diode 2 1 Diode 1 0 d>f d { "@context": "http://schema.org", "@type": "ImageObject", "contentUrl": "http://images.slideplayer.org/1/645302/slides/slide_6.jpg", "name": "6 Ferienakademie 2005 1 Andere Messverfahren 1.2 Berührungsloses Messverfahren Autofokus-Mikroskop Diode 1 0 Diode 2 0 Diode 1 1 Diode 2 1 Diode 1 0 d>f df d

7 7 Ferienakademie 2005 1 Andere Messverfahren Grenzen der optischen Abtastung: - Objekte mit sehr steilen Flanken - optisch transparente Materialien - große Oberflächenrauheiten (Speckle-Effekt) Reflektierte Strahlen Einfallende Strahlen Streuung im Medium Steile Kanten der OberflächeGroße Oberflächenrauheit 1.2 Berührungslose Messverfahren

8 8 Ferienakademie 2005 2 Grundlagen 2.1 Licht als elektromagnetische Welle 2.2 Intensität 2.3 Interferenz 2.4 Kohärenz 2.5 Speckles

9 9 Ferienakademie 2005 2 Grundlagen 2.1 Licht als Elektromagnetische Welle In z-Richtung verlaufende ebene elektromagnetische Welle: E, H und die Ausbreitungsrichtung z stehen jeweils senkrecht zueinander. Kreisfrequenz:Phasenwinkel: Wellenzahl:

10 10 Ferienakademie 2005 2 Grundlagen Komplexe Schreibweise: mit 2.1 Das Licht als elektromagnetische Welle

11 11 Ferienakademie 2005 2 Grundlagen 2.2 Intensität - Eine elektromagnetische Welle überträgt elektrische und magnetische Feldenergie - In Ausbreitungsrichtung fließende Energiestromdichte: Poyntingvektor - Die Frequenzen des sichtbaren Lichtes liegen im Bereich von 10 14 Hz - Messung der Feldstärkenverläufe schwer möglich

12 12 Ferienakademie 2005 2 Grundlagen - Optische Detektoren registrieren die über viele Perioden gemittelte mittlere Intensität I: 2.2 Intensität

13 13 Ferienakademie 2005 2 Grundlagen 2.3 Interferenz Bei der Überlagerung von Wellen gilt das Superpositionsprinzip: - Die gesamte Auslenkung ist gleich der Summe der einzelnen Auslenkungen Überlagerung zweier Wellen mit gleicher Frequenz: Betrag von Ê: Phasendifferenz der Teilwellen:

14 14 Ferienakademie 2005 2 Grundlagen - Gesamtintensität mit: - Spezialfall gleicher Amplituden und gleicher Intensitäten (I 2 =I 1 ): - Interferenz tritt allerdings nur bei kohärenten Wellen auf 2.3 Interferenz

15 15 P1 Elementarbündel Lichtquelle Ferienakademie 2005 2 Grundlagen 2.4 Kohärenz - Kohärenz heißt übersetzt Zusammenhang - In einem kohärentem Lichtfeld stehen die Schwingungen zu zwei beliebigen Raumzeitpunkten in einem definierten Zusammenhang (Idealfall: Ebene harmonische Welle) In einem realen Strahlungsfeld liegt zwischen zwei Punkten Kohärenz vor, wenn sie in einem Elementarbündel liegen: P2

16 16 Ferienakademie 2005 2 Grundlagen a) Zeitliche Kohärenz - Der maximale Abstand für zeitliche Kohärenz ist die Länge des Elementarbündels L K - Kohärenzzeit: T K = L K /c b) Räumliche Kohärenz - P 1 und P 2 liegen innerhalb eines Elementarbündels in einer Fläche senkrecht zur z-Achse Punkte sind räumlich kohärent - Alle Punkte innerhalb eines Elementarbündels mit gleicher z- Koordinate definieren die Kohärenzfläche A K 2.4 Kohärenz P1 Elementarbündel Lichtquelle P2

17 17 Ferienakademie 2005 c) Messung der zeitlichen Kohärenz Detektor Lichtquelle Spiegel 1 Spiegel 2 L1 L2 Michelson-Interferometer 2 Grundlagen 2.4 Kohärenz

18 18 Ferienakademie 2005 2 Grundlagen - Experimentelle und theoretische Untersuchungen zeigen, dass T K indirekt proportional zur Bandbreite der Lichtquelle ist Monochromatisches Laserlicht ist für interferometrische Messtechniken günstig, weil es eine große Kohärenzlänge besitzt 2.4 Kohärenz

19 19 Ferienakademie 2005 2 Grundlagen 2.5 Speckles a) Entstehung von Speckles Ein Speckle-Muster enthält Aussagen über die Oberfläche Aufpunkt Rauhe Oberfläche Kohärente Lichtquelle Specklebild Beobachtungsebene

20 20 Rauhe OberflächeGlatte Oberfläche Ferienakademie 2005 2 Grundlagen b) Optisch rauhe Oberflächen - Die Rauheit der Oberfläche liegt in der Größenordnung der Wellenlänge - Nur an diesen Flächen kann durch und diffuse Reflexion der Speckle-Effekt entstehen 2.5 Speckles

21 21 Streuende Fläche Kamera b Laserstrahl Linse D Ferienakademie 2005 2 Grundlagen c) Einstellen der Specklegröße - Zur Aufnahme der Speckle-Bilder mit CCD-Kameras müssen die Speckle ausreichend groß sein Blende 2.5 Entstehung von Speckles

22 22 Ferienakademie 2005 3 Speckle-Interferometrie 3.1 Empfindlichkeitsvektor 3.2 Out-of-plane Deformationsmessung 3.3 Formvermessung mit der Zweiwellenlängen-Technik 3.4 In-plane Deformationsmessung

23 23 Ferienakademie 2005 3 Speckle-Interferometrie 3.1 Empfindlichkeitsvektor d zeigt eine Verschiebung der Messfläche an Phasenänderung im Interferenzbild Messfläche Verschiebungsvektor d Empfindlichkeitsvektor k Beleuchtungsvektor k 1 Beobachtungsvektor k 2

24 24 Strahlteiler Referenzfläche CCD Ferienakademie 2005 3 Speckle-Interferometrie 3.2 Out-of-plane Deformationsmessungen a) Interferometerarten Laser Messfläche Linse Strahlteiler Referenzfläche Messfläche Laser CCD Linse Michelson-Interferometer Mach-Zehnder-Interferometer

25 25 Ferienakademie 2005 3 Speckle-Interferometrie b) Empfindlichkeitsvektor bei Out-of-plane Messungen - k 1, k 2 und k stehen senkrecht zur Messfläche - für einen vollen Phasenübergang von muss die Messfläche um verschoben werden 3.2 Out-of-plane Deformationsmessungen Strahlteiler Referenzfläche Messfläche Laser CCD Linse

26 26 Ferienakademie 2005 3 Speckle-Interferometrie c) Deformationsmessung - Zuerst wird ein Interferogramm des Messobjekt im unmanipuliertem Grundzustand aufgenommen - Nach der Deformation wird ein zweites Bild aufgenommen - Zur Verarbeitung wird die Differenz gebildet 3.2 Out-of-plane Deformationsmessungen

27 27 Ferienakademie 2005 3 Speckle-Interferometrie - Eindeutige Aussagen nur fürmöglich - Abstand zwischen schwarzen Streifen entspricht - unklar, ob höhenmäßiger Anstieg oder Abstieg 3.2 Out-of-plane Deformationsmessungen Interferogramm einer Aluminiumplatte vor Deformation Interferogramm einer Aluminiumplatte nach Deformation Differenz der beiden Interferogramme

28 28 Ferienakademie 2005 3 Speckle-Interferometrie 3.3 Formvermessung mit der Zweiwellenlängen- Technik - Aufnahme von zwei Interferogrammen mit unterschiedlichen Wellenlängen - Bildung der Differenz der beiden Intensitäten

29 29 Ferienakademie 2005 3 Speckle-Interferometrie 3.3 Formvermessung mit der Zweiwellenlängen-Technik Interferogramm mit λ1Interferogramm mit λ2Differenz der beiden Interferogramme Möglichkeiten für die Höhenänderung

30 30 dydy Ferienakademie 2005 3 Speckle-Interferometrie 3.4 In-plane Deformationsmessung Beleuchtung 1(k 11 ) Messfläche CCD Linse Beleuchtung 2(k 12 ) k2k2 y z x

31 31 Ferienakademie 2005 4 Phasenschieben 4.1 Algorithmen zum Phasenschieben 4.2 Erstellung eines Höhenprofils 4.3 Zeitliches Phasenschieben 4.4 Räumliches Phasenschieben 4.5 Deformationsmessung eines Bleches 4.6 Formvermessung einer Münze

32 32 Ferienakademie 2005 4 Phasenschieben 4.1 Algorithmen zum Phasenschieben Mittels der Technik des Phasenschiebens ist es möglich die Höhe jedes Pixels eindeutig zu bestimmen Die allgemeine Intensität eines Interferogramms: GrundintensitätModulation gesuchte Phasebekannte Phase zwischen Mess- und Referenzfläche

33 33 Ferienakademie 2005 4 Phasenschieben - Mindestens drei Messungen mit bekannten Phasenverschiebungen - Lösen des linear unabhängigen Gleichungssystems Algorithmen: 3-Schritt-Algorithmus Dima-Algorithmus 4-Schritt-Algorithmus Carré-Algorithmus Hariharan-Schwider-Algorithmus - Algorithmen liefern Phasenwerte modulooder 4.1 Algorithmen zum Phasenschieben Strahlteiler Referenzfläche Messfläche Laser CCD Linse Michelson-Interferometer

34 34 Ferienakademie 2005 4 Phasenschieben - Jeweils 3 Aufnahmen mit zwei verschiedenen Wellenlängen - Berechnung der beiden Phasen mit Hilfe der Algorithmen - Die beiden Phasen für jeden Punkt der Bilder subtrahieren Phasenbild mit Höhenlinien Ohne Phasenshifting Mit Phasenshifting 4.1 Algorithmen zum Phasenschieben

35 35 Ferienakademie 2005 4 Phasenschieben 4.2 Erstellen eines Höhenprofils - Wird ein stetiger Verlauf vorausgesetzt, treten zwischen zwei benachbarten Punkten keine Phasensprünge größer - Ein Phasendifferenz größer wird als Phasensprung interpretiert - Bei einem Phasensprung wird der Wertaddiert oder subtrahiertDifferenz benachbarter Punkte kleiner - Die Anzahl m der Phasensprünge wird gespeichert Phasenbild Unwrapped Phasenbild

36 36 Ferienakademie 2005 4 Phasenschieben Berechnung der Höhenwerte Phasenbild Unwrapped Phasenbild 4.2 Erstellen eines Höhenprofils

37 37 Ferienakademie 2005 4 Phasenschieben 4.3 Zeitliches Phasenschieben - Die Aufnahmen werden hintereinander ausgeführt - Zwischen den Aufnahmen wird die Phase zwischen Mess- und Referenzstrahl verändert Piezogesteuerte Referenzoberfläche Gekippte Glasplatte Im Strahlenweg Verschiebung Phasenshift

38 38 Ferienakademie 2005 4 Phasenschieben 45° Rotation Phasenshift Platte 1. Ordnung Gitter Bewegtes Gitter 4.3 Zeitliches Phasenschieben

39 39 Ferienakademie 2005 4 Phasenschieben 4.4 Räumliches Phasenschieben - Beim räumlichen Phasenschieben werden nur zwei Aufnahmen benötigt - Die Referenzfläche wird dabei leicht leicht schräg gestellt - Die Phasenverschiebung liegt zwischen benachbarten Pixel vor Pixel 1Pixel 3Pixel 2 Gekippte Referenzfläche Ebene der CCD-Kamera

40 40 Ferienakademie 2005 4 Phasenschieben - Aus benachbarten Pixels wird jeweils die Phase berechnet - Die Phasen der beiden Bilder werden subtrahiert 1 2 3 4 3 2 1 4 Interferogramm 2 Interfero- gramm 1 1 Phasenbild Differenz 4.4 Räumliches Phasenschieben

41 41 Ferienakademie 2005 4 Phasenschieben 4.5 Deformationsmessung eines Bleches Pasenbild Unwrapped Phasenbild Höhenprofil

42 42 Ferienakademie 2005 4 Phasenschieben 4.6 Formvermessung einer Münze Phasenshifting-Bild Bilder mit freundlicher Genehmigung des Lehrstuhls für Messsystem- und Sensortechnik Phasenbild

43 43 Ferienakademie 2005 4 Phasenschieben Phasenbild Ausgewertetes Bild Bilder mit freundlicher Genehmigung des Lehrstuhls für Messsystem- und Sensortechnik 4.6 Formvermessung einer Münze Unwrapped Phasenbild

44 44 Ferienakademie 2005 Literatur: - A. W. Koch, M. W. Ruprecht, O. Toedter und G. Häusler Optische Messtechnik an technischen Oberflächen - F. Pedrotti, L. Pedrotti, W. Bausch und H. Schmidt Optik für Ingenieure - A. Donges und R. Noll Lasermeßtechnik - P. Evanschitzky Simulationsgestützte Oberflächendiagnostik mittels Speckle-Interferometrie


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