3D-Verformungsmessungen auf 10nm genau Grundlagen und Anwendungsbeispiele der Speckle-Interferometrie

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1 MW - nstitutsmitteilung N. (998) D-Vefmungsmessungen auf nm genau Gundlagen und Anwendungsbeispiele de Speckle-ntefemetie Käfestein, B. Die Speckleintefemetie ist eine Methde u hchgenauen Vefmungsmessung bei statische und dnamische Last. Sie ist aus de Hlgaphie abgeleitet und kann duch deen Gesetmäßigkeiten efaßt weden. m Gegensat u elativ kmpleen Anwendungstechnik de klassischen Hlgaphie bietet die Speckleintefemetie den Vteil, daß sie aufgund de ein elektnischen Auswetung de ntefeenbilde auf Bildveabeitungsechnen nline Vefmungsfelde im Beeich vn,-µm efaßt. Speckle intefemet is a highl sensitive methd t detect small scale static and dnamic defmatins. The setup is deived fm hlgaph and the theetical equatins ae indeed quite identical. Speckle intefemet has in cntast t the cmple applicatin pcedues f taditinal hlgaph the advantages f full autmated image pcessing. This makes it pssible t evalute defmatin fields in a ange fm.µm up t µm in eal time n cmmn cmpute sstems. Einleitung Die Speckleintefemetie ist ein Ganfeldmeßvefahen u Emittlung vn Bauteildefmatinen unte Vewendung vn khäentem und mnchmatischem Licht, das u ntefeen gebacht wid. Die vewendete Lichtquelle daf nu eine Wellenlänge abstahlen (Mnchmasie), und es muß gewähleistet sein, daß die intefeieenden Wellen einen gemeinsamen eitlichen und äumlichen Beug haben, als die knstante Anfangsphasendiffeen wie beim Austitt aus de Lichtquelle beibehalten. Als Lichtquelle eignet sich deshalb nu ein Lase, dessen Mindestkhäenlänge duch die Anfdeungen des Meßaufbaus festgelegt wid. Gundlagen. Speckleeffekt Die Escheinung de Speckles Fleckchen de auch Lichtganulatin genannt, Bild, beuht auf de Tatsache, daß bei de Beleuchtung vn diffus eflektieenden, auhen Obeflächen die Rauhigkeitsspiten nach dem Hugenschen Pinip als Ausgangspunkte fü neue Elementawellen dienen, die sich ein ufällig im Raum ausbeiten und übelagen. Diesen Effekt kann man.b. bei Lasepinten bebachten, wenn man eine matte Obefläche anstahlt. Dabei ist es fü eine gute Messung wichtig, eine gleichmäßig auhe Stuktu im Lichtwellenlängenbeeich hne Tetuen u ehalten. auhe Obefläche Bild : Speckles duch Lichtganulatin auf auhen Obeflächen Die Vewendung vn matte Aluminiumspühfabe de Sandstahlen eeugen wa seh gbe und kntasteiche Speckles, hat abe den Nachteil, daß dt die Rückeflein seh ielgeichtet eflgt, s daß man nu Out-Of-Plane Messungen duchfühen kann. Zusätlich muß die Fabe in meheen Schichten seh dünn aufgetagen weden, s daß beide Vefahen elativ aufwendig sind. Besse ist das Aufspühen vn schnell tcknendem Fabeinding-Entwickle, de sich seh leicht wiede abwischen läßt und fü alle Beleuchtungsichtungen naheu gleich helle hmgene Speckles eeugt. Weitee Möglichkeiten sind.b. das Aufauhen mit Sandpapie und Stahlwlle, matte weiße Spühlack de Dispesinsfabe mit Lateanteil, die jedch nu Ntlösungen dastellen. Obeflächen mit Wal- de Gußhaut können wa unbehandelte vewendet weden, jedch ist dann de Lichtvelust seh gß. Man untescheidet wei Aten vn Speckles: Objektive Speckles entstehen, wenn die Bauteilbefläche mit de Wellenlänge λ und dem Stahlduchmesse L angestahlt wid und die entstehende kmplee Wellenfnt auf einen im Abstand Beleuchtungsstahl kmplee esultieende Wellenfnt (Speckles).B. HeNe-Lase mit,6 µm Wellenlänge

2 MW - nstitutsmitteilung N. (998) stehenden Schim tifft. Die dt entstehende mittlee Specklegöße beechnet sich u: λ = Gl. L Subjektive Speckles entstehen, wenn eine ganuliete de speckelnde Obefläche mit einem Abbildungssstem de Bennweite f auf einen Schim fkussiet wid. Die mittlee Specklegöße ist dann etwa:,4λf d sp =,4λF Gl. d wbei d de Blendenduchmesse de Abbildungslinse des Objektivs ist, und F ist die sgenannte Blendenahl, die auf dem Blendeneinstelling des Kameabjektivs aufgeduckt ist und s eingestellt weden muß, daß die Speckles etwa s gß wie die CCD-Piel sind.. ntefemetie.. Wellenübelageung und Bestimmung de Anfangsphasendiffeen Das gundlegende Meßpinip ist die ntefemetie, bei de wei khäente Lichtwellenüge u Übelageung gebacht weden. De Lasestahl wid in wei Teilstahlen aufgespalten. Eine passiet als Refeenstahl v de nach de Aufweitung meist einen Phasenschiebe und wid dann auf das CCD-Aa de Kamea gelenkt. Mit dem andeen Teil wid das Bauteil beleuchtet, und das eflektiete Specklemuste das man als sgenannten Objektstahl beeichnet, übe das Kameabjektiv ebenfalls auf den CCD-Sens abgebildet, w sich beide elektische Lichtfeldvekten additiv übelagen. n Bild ist beispielhaft ein intefemetische Aufbau nach dem klassischen Michelsn-Tp dagestellt, mit dem man Vefmungen des Objekts senkecht u Obefläche messen kann. Stahlaufweitung Lase Stahlteilewüfel ntefeenbeeich auf dem CCD_Sens de Kamea CCD- Kamea Objekt Refeenbjekt Phasenschiebe Bild : Aufbau eines Michelsn-ntefemetes u Messung vn Out-Of-Plane Vefmungen Bild : Realisieung eines OOP-Michelsnintefemetes nach Bild hne Phasenschiebe Betachtet man einen CCD-Piel s gilt fü die aufteffenden Einelwellen E mit den Amplituden A und de Lichtfequen f = ω bei eine anfänglichen Phasenveschiebung vn ϕ fü Objekt- und π Refeenstahl (nde und ): E ( t ) = A sin( ω t + ϕ ) E t ) = A sin( ω t + ϕ ) ( Duch Additin ehält man: E es ( t) = A + A ( sin( ωt) cs ϕ cs( ωt) sin ϕ) ( sin( ωt) cs ϕ cs( ωt) sin ϕ ) + Gl. Gl. 4 De CCD-Piel efaßt die ntensität des Lichtes, die pptinal um Quadat des E-Feldes ist, und mittelt diese übe viele Schwingungspeiden ( T = = π ): f ω T T es = es ( t ) dt T T = A = + + A + E es ( t ) dt + A A cs( ϕ ϕ ) = cs( ϕ ϕ ) Gl. 5 Dabei sind und jeweils die Einelintensitäten vn Refeen- und Objektstahl. m Csinus-Tem ist die Phasendiffeen wischen beiden enthalten, s daß man duch ntefeen vn wei Lichtwellen den Gangunteschied wischen beiden duch Helligkeitsmessung emitteln kann. Das ist Basis de intefemetischen Messvefahen Hlgaphie und Speckleintefemetie. Man kann u Bestimmung de Helligkeiten vn und je einen Stahl abdunkeln und die Helligkeit des andeen messen, und danach eine Messung mit beiden, sich übelagenden Stahlen vnehmen. Dann ehält man duch Auflösen vn Gl. 5 seh einfach die Anfangsphasenveschiebung θ = ϕ ϕ. Das ist

3 MW - nstitutsmitteilung N. (998) abe nicht paktibel, s daß man die sgenannte Phasenschiebetechnik vewendet. Pblematisch bei diese Vgehensweise ist, daß accs () nu Winkel im Beeich vn [ π ] liefet, als gößee Phasenwinkel in diesen Beeich gefaltet weden, Bild 4. De Tem + ist die sgenannte Hintegundintensität, die unabhängig vn de Phasendiffeen ist und ist de Keukelatintem de angibt, wieviel Phaseninfmatin im Helligkeitsmuste gespeichet wid. Man muß diesen Anteil maimieen, um sicheustellen, daß im Helligkeitsmuste möglichst viel Phaseninfmatin vhanden ist, indem man unächst die mittleen Helligkeiten vn Objekt- und Refeenstahl abgleicht. Fü ein ganes CCD-Aa ist nicht nu die Göße de Speckles ufällig veteilt, snden auch Phasenlage und Helligkeit, als es, θ,, = f (, ). Fü eine cmputegestütte Auswetung ist es vteilhaft, Speckles mit ihe Keukelatin bw. Mdulatin in de Vefmungsbeechnung u gewichten, um u vehinden, daß kntastame Speckles u staken Einfluß nehmen. Bingt man nun eine Phasenveschiebung ein, indem man die ptische Länge des Objektstahls duch eine Bauteilveschiebung vegößet, de die Glasfase in de de Refeenstahl läuft bewegt, dann ist auf die Anfangsphasendiffeen wischen beiden Stahlen die Phasenveschiebung veichenichtig aufuaddieen. Allgemein gilt v de Veändeung fü die ntensität aus Gl. 5: = + + cs( θ ) Gl. 6 es, v v Und nach de Veändeung = + + cs( θ ) Gl. 7 es, n n Wenn man Gl. 5 und Gl. 6 jeweils nach ihen Phasen auflöst, ehält man die aus de Veändeung esultieende Phasendiffeen, unte de Vaussetung, daß alle andeen Gößen bekannt sind: φ = θ n θ v, Gl. 8.. Phasenschiebemethde Um jeweils fü einen Zustand v de nach de Vefmung bei einem quasistatischen Belastungsfall die Phase u beechnen, vewendet man heute die sgenannte Phasenschiebemethde. Dabei gibt man eine bekannte Phasendiffeen fü den Refeenstahl v und nimmt jeweils ein ntensitätsmuste hne Veändeung des Objekts auf, Gl. 9 bis Gl.. Fü eine eindeutige Lösung mit einfachen Gleichungen, die entspechend hhe Geschwindigkeiten bei de Bildveabeitung eeichen, kann man sich dei äquidistante Phasenlagen (, und ) vgeben und ehält bei unvefmten Objekt ein lineaes Gleichungssstem ditte Odnung mit den dei Unbekannten, und de gesuchten Anfangsphasendiffeen θ : = + + cs( ) Gl. 9 θ = + + cs( θ + π ) Gl. = + + cs( θ π ) Gl. Daaus eechnet sich die Phasendiffeen wischen beiden Stahlen u ( ) θ = actan Gl. Neben de eitlichen Phasenschiebemethde, bei de dei Bilde aufgenmmen weden müssen, gibt es nch äumliche Phasenschiebemethden, die aus eine einigen Aufnahme die Phaseninfmatin ehalten, indem de eingekppelte Refeenstahl um CCD vekippt wid, s daß je dei benachbate Piel um mittleen phasenveschben sind, Bild 5. β α = α = Piel Piel Piel α = Bild 5: Räumliche Phasenschiebe Refeenstahl eben und um β vekippt Objektstahl ideal eben und senkecht auf CCD Eine Phasenbeechnung nach diese Methde füht ebenfalls u eine Faltung de tatsächlich aufge ntensitäten de Beleuchtungsstahlen: = = eale Velauf de Phasenveschiebung Spungstellen duch accs- nvesinseigenschaft Gesamte aufgebachte Phasenveschiebung in Gad wischen Objekt und Refeenstahl Bild 4: Resultieende ntensität bei unteschiedliche Phase wischen Objekt- und Refeenstahl, Mehdeutigkeit bei de Phasenbeechnung

4 4 MW - nstitutsmitteilung N. (998) eale Velauf de Phasenveschiebung Spungstellen duch actan- nvesinseigenschaft Abweichung de Rechnung bei 5% Fehle imphasenschiebe Gesamte aufgebachte Phasenveschiebung in Gad wischen Objekt und Refeenstahl Bild 6: Phasenschiebevefahen mit dei Bilden und Dppeldeutigkeit bei de Phasenückfaltung; Fehleeinfluß bachten Phasendiffeen in den Beeich wischen -8 und 8 ; an den Übegangsstellen teten hie abe Spünge, Bild 6 anstatt Knicke, Bild 4 auf, die man leichte detektieen kann. Um die Phasendiffeen aufgund eine Bauteilveschiebung u emittelt, nimmt man dei ntensitätsbilde auf v de Vefmung und dei mit Phasenschiebemethde nach de Vefmung. Fü jeden Zustand beechnet man die Phase und kann dann nach Gl. 8 die vefmungsbedingte Phasendiffeen φ duch einfache Subtaktin emitteln. Knstuktin eines Meßaufbaus. Vgehensweise Die Vefmungsmessung an Bauteilen mit Speckleintefemetie sett sich gundsätlich aus wei vneinande elativ unabhängigen Teilpblemen usammen: a. Wie ist de Zusammenhang wischen de gemessenen Helligkeitsveändeung und de Phasendiffeen. Die Phasenveschiebung entsteht bei de Vefmungsmessung duch eine Veändeung de ptischen Weglänge vn Refeen- und/de Objektstahl. Es ist auch denkba, den ptischen Weg duch eine Bechahlveändeung einubingen, hne dabei eine ötliche Veschiebung de Kmpnenten im Lichtweg u haben. Das wid. B. vewendet, um den tempeatuabhängigen de knentatinsabhängigen Bechungsinde vn Lösungen und Flüssigkeiten u emitteln. b. Wie ist de Zusammenhang wischen de aus de ntensitätsmessung nach a. beechneten Phasendiffeen und de tatsächlichen Bauteilvefmung? Dabei können je nach Vesuchsaufbau Dehnungen, Neigungen, Rtatinen und Veschiebungen getennt de in Kmbinatin u Phasenveschiebungen fühen und gemessen weden. Punkt a wude beeits in. Speckleeffekt eläutet und stellt ein allgemeines Pblem de Wellenmechanik da und titt bei Akustik, Optik und Elekttechnik gleichemaßen auf. Dabei kann man untescheiden in statische und dnamische Anwendungen, die imme eitlich veändeliche Phasenbeiehungen vn intefeieenden Wellenügen betachten. Daaus leitet man entspechende Methden u Efassung de Gauweten ab. Als Beispiele seien hie das Subtaktinsvefahen, Additinsvefahen und die Phasenschiebetechnik fü statische Anwendungen, das Zeitmittelvefahen mit und hne Phasenschiebetechnik und das Echteitsubtaktinsvefahen fü hamnische Schwingungsanalsen bw. das Dppelpulsvefahen mit äumlichen Phasenschiebe als Vefahen fü hchdnamische Stßvgänge ewähnt. Punkt b ist ein Pblem de Mechanik und Vektanalsis. Hiebei ist u kläen, welche Bauteilveschiebungen sich in Fm eine Phasenändeung bemekba machen. Daduch wid festgelegt, wie de Meßaufbau gemetisch definiet ist, als vn w beleuchtet, und vn w aufgenmmen wid, b man Veschiebungen senkecht um Bauteil de in Bauteilebene messen will de D-Vefmungen. Als lette Schitt ist de eigentliche Meßaufbau festulegen, je nachdem b man Gadienten de abslute Vefmungen emitteln will. Bei de Sheagaphie wid. B. duch die Optik ein Dppelbild des Bauteils eeugt, Bild 7, s daß de Refeenstahl keine ebene Welle, snden ein veschbenes Bild des Objekts ist, und man die Vefmungen jeweils wischen wei Objektpunkten mißt. Je nach Vescheungs- und Beleuchtungsichtung kann man Neigungsändeungen de Obefläche de Dehnungen in de Ebene in veschiedene Richtungen, bei Bedaf sga in adiale de tangentiale Richtung aufnehmen, abe auch D-Gadienten.. Allgemeine Ansat u Beechnung de Weglängenändeung Um den Zusammenhang wischen de Phasendiffeen, die mit Hilfe de ntensitätsmuste emittelt wude, und de tatsächlichen Vefmung des

5 MW - nstitutsmitteilung N. (998) 5 Bauteils heustellen, sind die Meßaufbauten u betachten. Geht man näheungsweise davn aus, daß die Beleuchtungsquelle L eine Kugelwelle abstahlt, de Bebachte B sich in einem disketen Punkt befindet und venachlässigt die Abbildungseigenschaften des Kameabjektivs, dann kann man die Weglänge eines Stahls, jeweils v und nach eine Vefmung des Bauteils beechnen, Bild 7. De gesuchte Zusammenhang wischen de Vefmung d und de Diffeen des Wegunteschiedes s, de linea mit de gesuchten Phasenändeung ϕ usammenhängt: d Vefmungsvek Objekt Css s ϕ = λ π P P n S =b n O =l Bild 7: Weglängenändeung eines Lichtstahls vm Lase um Sens B Gl. Fü einen Lichtstahl vn L übe den unveschbenen Objektpunkt P nach B ehält man dann fü die Anfangsweglänge aus den Otsvekten: s = P L + B P Gl. 4 und nachdem P um den Vefmungsvekt d veschben wude: s = P L + B P = P + d L + B ( P + d ) Gl. 5 Wenn man u Veeinfachung l = P L als Beleuchtungsvekt und b = P B als Bebach- tungsvekt u Rechnung einsett, ehält man fü die Wegändeung: s = s s = + ( l + d) + ( l + d) + ( l + d) ( b + d ) + ( b + d ) + ( b + d ) l + l + l b + b + b L Gl. 6 fü kleine d läßt sich s als eine mehdimensinele Tal-Reihe um den Entwicklungspunkt T d = d d d = scheiben, und es egibt ( ) sich nach einigen Umfmungen: l b l b l b s = + + d + + d + + d Gl. 7 l b l b l b de wiede in Vektscheibweise tansfmiet: s = ( l + b ) d Gl. 8 n bige Gleichung ist l de nmiete Beleuchtungsvekt und b de nmiete Bebachtungsvekt, de Tem. s = ( l + b ) wid Sensitivitätsvekt genannt, da die Wegändeung d duch das Skalapdukt auf ihn pjeiet und in seine Richtung gemessen wid. l und b sind wa fü einen Punkt knstant, wenn e sich nu geing vefmt (Fdeung fü die Tal-Reihe), abe imme nch fü jeden Objektpunkt vn de Bauteilbefläche abhängig. Est bei de Annahme, daß man vn de Fene aus beleuchtet und bebachtet, daf man ebene Wellenfnten vausseten und aus dem Meßaufbau einen Sensitivitätsekt fü alle Bauteilpunkte annehmen. Ansnsten muß man diese Abweichung echneisch kigieen. Fü eine Defmatinsmessung im Statischen bestimmt man.b. nach de Phasenschiebemethde die vefmungsbedingte Phasendiffeen φ duch einfache Subtaktin nach Gl. 8 und echnet diese dann entspechend Gl. in eine ptische Weglängenändeung s um. Aus diese kann man dann nach Gl. 8 bei einem ESP-Sstem die Bauteilvefmung d emitteln. 4 Sstemkmpnenten Gundsätlich ist de Gesamtaufbau steif u gestalten, und Tempeatudehnungen de Luftstömungen u vemeiden, duch die Dift de ein instabiles Speckleintefeenmuste eeugt wid. Eine Schwingungsislatin ist bei ESP-Sstemen ntwendig, wähend Sheagaphiessteme wenige sensibel gegenübe Staköpebewegungen sind, da sie Vefmungsgadienten messen. 4. Kameas Ein Speckle-Meßsstem muß in de Lage sein, die entstehenden Speckles aufulösen, weshalb imme eine vaiable Blende im Kameabjektiv eingebaut sein muß, um die Specklegöße entspechend anpassen u können. Wenn man eine handelsübliche Schwaweißkamea (/ CCD mit 4,8,6mm² Fläche und eine Auflösung vn 7558 Piel einschließlich 5mm Objektiv :) vewendet, und auf ein Piel etwa ein Speckle abgebildet weden sll, egibt sich eine Blendenahl vn 4, damit die Speckles nch gß genug sind um vn de Kame-

6 6 MW - nstitutsmitteilung N. (998) a aufgelöst u weden. Damit gehen ca. 75% Licht u vll geöffnete Blende velen, was ein gße- Nachteil des Vefahens ist. Entscheidend fü eine eakte Messung ist de lineae Zusammenhang wischen Gauwet und Ausgangsspannung, s daß imme eingebaute AGC-Filte abgeschaltet weden müssen. 4. Famegabbekaten Mit eine schnellen Bildefassungskate weden die Specklemuste in Echteit digitalisiet und entwede diekt auf dem Bad de im Rechne nline veechnet. Je nach Kmpleität des Aufbaus und des eingesetten Rechenanalgithmus muß man deeit vn Bildwiedehlaten vn /s bis,/s ausgehen. Duch eine höhee Gaustufenahl, (Standad: 56), wid die Meßempfindlichkeit vebesset, jedch daf man dabei nicht die Genauigkeit des Phasenschiebes und die Lineaität de Kamea auße acht lassen, Bild 6. Einige Bads haben einen Ovelapuffe, mit dem ein bei nmale Raumbeleuchtung aufgenmmenes Bauteil dem Steifenmuste u Anschaulichkeit übelaget wid. 4. Optik Die vewendeten ptischen Bauteile müssen im allgemeinen keine allu hhen Anfdeungen efüllen, es ist abe auf eine seh gute Entspiegelung u achten, weil snst Mehfachintefeenen im Sstem aufteten, die u eine äumlichen Mdulatin de Wellenfnten fühen und den Kntast de Speckles auf dem CCD-Sens s stak senken können, daß de Meßaufbau unbauchba wid. Bei ESP-Sstemen mit Refeenstahleinkppelung wischen Abbildungsptik und CCD-Sens hat man meist das Pblem, daß dt de Abstand bei Vewendung eines Standadbjektivs u klein ist, um dt einen Stahlteile u psitinieen. Man kann abe auf kubennweitige Kleinbildkameabjektive ausweichen de eine Retfkusknstuktin vnehmen. Als Spiegel kmmen ausschließlich Obeflächenspiegel in Betacht, da hekömmliche u Dppelefleinen und staken ntefeensteifen fühen, Stahlteile sllten auf de Rückseite entspiegelt, de leicht keilfömig geschliffen sein. Zu Stahllenkung haben sich in ESP-Sstemen Mnmde-Glasfasen als günstig ewiesen, die auf die Lasewellenlänge abgestimmt gleicheitig auch einen hevagenden Filteeffekt u Vebesseung de Stahlqualität bieten. AGC- autmatic gain cntl, Kntast und Helligkeitsvebesseung dunkle Bildbeeiche Zum Aufweiten des Lases vewendet man je nach Duchmesse vn Stahl und Objekt kstengünstige Mikskpbjektive de speielle Optiken. 4.. Lase Als Lase kmmen nu Mnmdessteme (TEM 4 ) unteschiedliche Tpe mit de hne Plaisieung in Betacht. Entscheidend sind dabei eineseits die ausuleuchtende Fläche, die Fage nach dnamische de statische Last und de eigentliche Meßaufbau. Daduch weden Leistung, Betiebsat, Wellenlänge und Khäenlänge festgelegt. Man kann dabei Didenlasesseme, gepulst de ungepulst, Festköpelase de Gaslase vewenden. Die Peisspanne liegt dabei wischen 5 DM fü einen handlichen 5 mw Didenlase mit ca. m Khäenlänge, de fü eine Ausleuchtung vn ca. 5 cm im Statischen geeignet ist, bis u W Festköpelasen (NdYag) mit Khäenlängen im Beeich einige Zentimete fü stbskpische Anegung bis mehee Tausend Het fü ca. 8DM. Es können auch Rubin- Riesenimpulslase fü die Hlgaphie eingesett weden, die den Schwingungsustand duch einen Kueitblit vn wenigen Nansekunden einfieen. 4.. Phasenschiebe und Steueelektnik Duch Vewendung eines Phasenschiebes ist es möglich, nicht nu Steifenbilde, snden fü jeden Bildpunkt den eakten Vefmungswet u ehalten. Je nach Phasenschiebetechnik sind veschiedene Ausfühungen möglich, man vewendet abe meist den mechanischen Phasenschiebe, bei dem unteschiedliche Wegdiffeenen in den Refeenstahl eingebacht weden. Dau wid an einen Piekistall vm BV-Rechne übe eine DA- Wandlekate und eine Regeleinheit ein definiete Spannungswet ausgegeben, de dann eine bestimmte Veschiebung hevuft. Diese wid dau vewendet, die ptische Weglänge u vaiieen, indem man. B. einen Spiegel im Stahlengang des Refeenstahls, die Glasfasehalteung, eine Plande Keilplatte veschiebt. Als weitee Phasenschiebe ist auch LCD-Sstem denkba, das den Ke-Effekt ausnutt. Die Steueelektnik wid bei dnamischen Vgängen gebaucht, um aus dem Schwingungsmuste ein Tiggesignal abuleiten, mit dem de Lase, ein 4 TEM tansvesal emisin mde, chaakteisiet die Helligkeitsveteilung im Stahlpfil als adialsmmetisch und Gaussfömig

7 MW - nstitutsmitteilung N. (998) 7 Bild 8: Statische OOP-Vefmung Keisscheibe Bild 9: OOP-Schwingung de Scheibe bei 4H Bild :OOP-Schwingung de Keisscheibe bei H akust-ptische Mdulat und die Bildefassung kntlliet weden. 5 Duchgefühte Messungen Am MW wuden eine Studie um Aufbau eines Speckleintefemetes mit möglichst geingen Ksten estellt und die Paistauglichkeit duch dnamische Out-Of-Plane-Messungen (OOP) bewiesen. Dau wude an Scheibenstuktuen mit hamnische Anegung in Bauteilebene mit dem Echteitsubtaktinsvefahen und 8 Phasenschiebung Schwingungsmessungen vgenmmen und ausgewetet, Bild bis Bild 4. Fü die Studie wuden Objekte mit unteschiedlichen Vefahen vemessen: Eine Keisscheibe (Dicke mm, Ø mm) wude adial fest eingespannt und in ihem Mittelpunkt entisch duch eine Einelkaft belastet, Bild 8. Es wude das Subtaktinsvefahen angewendet, bei dem die Specklemuste hne Beechnung de Phasenbeiehung als ntensitätsmuste v und nach de Vefmung subtahiet weden. Es leuchtet ein, daß an Stellen, an denen die Vefmung de gane Vielfache de halben Wellenlänge ist, schwae Steifen entstehen müssen, denn de Meßaufbau ist entspechend Bild und Bild fü die OOP-Vefmung empfindlich. De Abstand wischen wei dunklen Steifen entspicht eine Phasenändeung vn π und de Zusammenhang wischen Phasenändeung und Bauteilveschiebung ist ϕ = d 4π. Die Bauteilveschiebung ist λ dann d = λ / und bei einem 69 nm-lase ca.,5 µm. Bild 9 und Bild eigen die gleiche Scheibe bei hamnische Anegung mit dem Echteit-Subtaktinsvefahen aufgenmmen. Es ist u ekennen, daß duch eine Ehöhung de Fequen ein weitee Schwingungsbauch entsteht, und die Schwingungsknten, die als schwae Linien aufteten, smmetisch ausgebildet sind. Bei de Steifenbeechnung wude ein Bild de Platte in Ruhe vn einem eitlich übe mehee Plattenschwingungen gemittelten Gauwetbild subtahiet, s daß de Kntast mit steigende Steifendnung nach eine Besselfunktin elativ stak sinkt, wähend e im statischen Fall, Bild 8 fü alle Odnungen knstant ist. Die gleiche Scheibe wude usätlich mit einem sheagaphischen Aufbau vemessen, Bild 6 bis Bild 8, de nicht Linien gleiche OOP-Defmatin, snden Linien gleiche Obeflächenneigungsändeung aneigt. Beim Sheagaphieaufbau wid das Bauteil diekt beleuchtet, und est danach ein Dppelbild eeugt (.B. mit Stahlteile und wei Spiegeln, Glaskeilen, gegeneinande veschbenenhalblinsen, geneigte Bild : OOP 9 H Bild : OOP-H Bild : OOP-H Bild 4: OOP-H

8 8 MW - nstitutsmitteilung N. (998) Bild 6: Sheagaphische Aufbau mit Stahlfühung übe Stahlteilewüfel Bild 7: Duch Stahlteilewüfel veschetes Dppelbild de Keisscheibe Bild 8: Sheagaphieaufnahme de entisch belasteten Keisscheibe Glasplatten), s daß als Refeen das veschbene Objekt dient und die Vefmungen als Gadienten ausgegeben weden. Je nach Vescheungsdistan ehält man unteschiedliche Empfindlichkeiten. Dieses Vefahen ist elativ unabhängig vn Staköpeveschiebungen und deshalb hevagend fü den Feldeinsat geeignet. Es wid im wesentlichen u Fehledetektin.B. bei Reifen de Laminaten vewendet, w es wenige auf eakte Egebnisse snden auf Rbustheit und Zuvelässigkeit ankmmt. 6 Knept eines ntefemetes Anhand de Efahungen aus den Messungen wude ein mögliches Knept eines ESP-Sstems fü die u ewatenden Anfdeungen anhand de beeits vhandenen Kmpnenten estellt, Bild 5. Damit sllen D und OOP-Vefmungen swie n- Plane Veschiebungen mit Phasenschiebetechnik duch elativ einfachen Geäteumbau gemessen weden. Bild 5: Knept des Speckle-ntefemetes 7 Zusammenfassung Die Speckleintefemetie ist ein hchempfindliches Wekeug u Messung vn Bauteilvefmungen de Gadienten bei statischen und dnamischen Belastungsfällen. Duch die Phasenschiebetechnik wid die Auswetung vllständig autmatisiet. Vn Vteil ist die hhe Empfindlichkeit und Vaiabilität, nachteilig die teilweise hhen Ksten fü Lase und die Fdeung nach auhen Obeflächen hne Tetu. Bei ESP-Sstemen ist ft auch ein schwingungsisliete Tisch ntwendig, wähend Sheagaphiessteme aufgund de Messung vn Vefmungsgadienten fü den Paiseinsat besse geeignet sind. Bei fallendem Peis fü auseichende Laseleistung wid die elativ junge Speckleintefemetie weite in den Beeich de estöungsfeien Bauteilpüfung und Qualitätssicheung vdingen. 8 Liteatu // Jnes, R.; Wkes, C.: Hlgaphic and Speckle ntefemet, Cambidge Univesit Pess, Cambidge 98 // Steinchen, W.; Yang, L.X.; Schuth, M.; Kupfe, G.: Dehnungsmessung mit digitale Sheagaphie, tm-technisches Messen 6, S. 7-4, Oldenbug-Velag 995 // Ceath, K.: Phase-shifting speckle intefemet, Applied Optics 4, S. 5-58,985 /4/ Hung, Y.Y.: Sheagaph: A new ptical Methd f stain measuement and Nndestuctive Testing, Optical Engineeing, S. 9-95, 98 /5/ Käfestein, B.: Studienabeit, Aufbau und Entwicklung eines ptischen Ganfeldmeßvefahens auf de Gundlage de Electnic- Speckle-Patten ntefemet, Clausthal 998