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Electronic-Speckle-Pattern-Interferometrie (ESPI)

Grundlagen

Die elektronische Speckle-Pattern-Interferometrie (ESPI) ist ein optisches Feldmessverfahren, mit dem simultan die Verschiebungen eines Felds von Oberflächenpunkten (Speckles) in verschiedenen Richtungen mit sehr hoher Genauigkeit ermittelt werden können [1] (siehe auch: Speckle-Messtechnik).
Die typische Messwertauflösung beträgt einen Bruchteil der verwendeten Lichtwellenlänge (typische Werte ab 0,02 µm). Bei diesem Verfahren nutzt man die Entstehung von Granulationserscheinungen (Speckles) aus, wenn eine optisch raue Oberfläche mit kohärentem Laserlicht beleuchtet wird. Je nach Aufbau des genutzten Interferometers (2d- oder 3d-Messsystem) lassen sich eine oder alle kartesischen Komponenten der lokalen Verschiebungen separat aufzeichnen. Aus den ermittelten Verschiebungen können die lokalen Dehnungen in x-, y, und z-Richtung in der Größenordnung von 0,0001 % bestimmt werden. Im Gegensatz zum Objekt-Rasterverfahren, welches auch an spiegelnden Oberflächen funktioniert, muss bei dem interferometrischen Prüfverfahren ESPI kein künstliches Fleckchenmuster (Speckles) aufgebracht werden. Wird eine raue Oberfläche mit normalem Weißlicht bestrahlt, dann entsteht eine gleichmäßige Reflexion (Bild 1a), wogegen bei Nutzung von kohärentem Laserlicht eine körnig strukturierte Fläche (Speckles) erkennbar ist (Bild 1b), was die messtechnische Basis der Electronic-Speckle-Pattern-Interferometrie darstellt.

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Bild 1: Beleuchtung einer rauen Objektoberfläche (a) mit weißem Licht (inkohärent) und (b) mit kohärentem Laserlicht

Bei spiegelnden oder glänzenden Oberflächen ist die ESPI nur bedingt anwendbar. Im Gegensatz zu dem Objekt-Rasterverfahren, wo konventionelle Lichtquellen verwendet und geometrisch-optische Messeffekte ausgewertet werden, basiert die Speckle-Interferometrie auf wellenoptischen Phänomenen und bedingt einen Laser als kohärente Strahlenquelle.
Obwohl unterschiedliche Laser-Speckle-Interferometer existieren, wird bei allen Verfahren die Oberfläche eines Prüfobjekts wird mit einer elektronischen CCD-Kamera aufgenommen. Dabei wird das Laserlicht wird mit einem Strahlteilers in zwei Bündel aufgeteilt, von denen ein Strahl die Objektoberfläche beleuchtet. Das zweite Laserbündel wird direkt als Referenzwelle in das Objektiv der Kamera eingespiegelt (2d-Technik, siehe Bild 2a). Das zweite Laserbündel kann aber auch zur Beleuchtung der Objektoberfläche aus einer anderen Raumrichtung bzw. -winkel benutzt werden (Bild 2b).

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Bild 2: Beleuchtung einer rauen Objektoberfläche (a) mit weißem Licht (inkohärent) und (b) mit kohärentem Laserlicht

Auf jeden Fall wird im Bildsensor eine kohärente Überlagerung der beiden Strahlenbündel entstehen, die zu Interferenzstrukturen führen, welche sich mit dem Bild des Objekts überlagern, wodurch mittels Bildsubtraktion ein auswertbares Phasenbild des rückgestreuten Lichts entsteht. Die lokale Bildhelligkeit eines Pixels wird insbesondere durch den Wegunterschied bestimmt, den die beiden Lichtstrahlen vom Strahlteiler bis zum Bildsensor zurücklegen. Bei einer Deformation der Objektoberfläche entsteht eine lokale Verschiebung bzw. Verzerrung, wodurch sich die Wegstrecke des Laserlichts vom Strahlteiler über das Werkstück bis zum Bildsensor ändert und damit die lokale Helligkeit auf dem Bildsensor variiert. Die Veränderung des Interferenzmusters wird dann zur Berechnung der lokalen Verschiebungsfelder und der Dehnungen der Oberflächenelemente (Speckles) in x-, y- und z-Richtung benutzt. Infolge der verwendeten Lichtwellenlänge ist die Empfindlichkeit des ESPI-Verfahrens sehr hoch (ca. 0,02 µm).

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Bild 3: Bildgenerierung von (a) zwei Specklebildern durch (b) Korrelation mittels punktweiser Differenzbildung, (c) Erzeugung des Phasenbild und (d) des demodulierten Phasenbilds

Bei dem Vergleich der Speckles des deformierten Zustandes mit dem Ausgangszustand kann die Phase und Interferenzabstand im in-plane und out-of-plane Dehnungsfeld ausgewertet werden, was allerdings von der technischen Ausstattung des Feldmesssystems abhängt. Für in-plane Messungen in x- und y-Richtung werden ein Laser und 2 CCD-Kameras benötigt und für zusätzliche out-of-plane Messungen in z-Richtung sind dann zwei Laser und drei CCD-Kameras erforderlich. Durch die pixelweise Differenzbildung entsteht eine Bildkorrelation der lokalen Verschiebungen oder Dehnungen, aus der dann das Phasenbild im Ausgangs- und demodulierten Zustand berechnet und visualisierbar ist (Bild 3) [2–5].

Messtechnik und Applikationen

Die ESPI als optische Feldmesstechnik erzeugt ganzflächig, berührungslos und rückwirkungsfrei Informationen zur Formänderung und lokalen Deformationsverteilung auch bei komplizierten und komplexen Werkstückgeometrien. Die lokalen Deformationsänderungen eines Bauteils infolge mechanischer und/oder thermischer Beanspruchung geben Informationen, die in der Praxis für folgende Aufgaben genutzt werden können:

  • standardisierte Prüfkörper werden zur Bestimmung von lokalen Kenngrößen in der Werkstoffentwicklung und -optimierung verwendet,
  • mathematische Modelle des Deformationsverhaltens von Werkstoffen können experimentell überprüft und verifiziert werden,
  • die Simulation des Deformationsverhaltens komplexer Konstruktionen kann unter realitätsnahen Beanspruchungen realisiert werden,
  • in der Qualitätssicherung ist die zerstörungsfreie Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile möglich.

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Bild 4: ESPI-Messsystem (a) Aramis der Fa. GOM, Braunschweig und (b) Applikation an eine Universalprüfmaschine Instron 3300 [6]

Für derartige Applikationen können Feldprüfsysteme auf Basis der Electronic-Speckle-Pattern-Interferometrie wie in Bild 4 dargestellt erfolgreich für sehr große als auch sehr kleine Bauteile angewendet werden, wobei auch lokale inhomogene Dehnungsüberhöhungen infolge von Spannungskonzentrationen ohne nähere Kenntnis des Bauteilverhaltens erkannt werden. Wird bei einer Schlagbeanspruchung (Bild 5a) einer Kreisplatte (siehe: Schlagbeanspruchung Fallbolzensystem) die lokale Verformungsänderung in z-Richtung (out-of-plane) beobachtet, dann ergeben sich die lokalen Deformationsänderungen entsprechend Bild 5b. Mit diesem Messverfahren können auch kleine Prüfkörperausschnitte, wie z. B. der Bereich der Rissspitze von Prüfkörpern für bruchmechanische Prüfungen unter Belastung beobachtet werden und die lokalen Verformungen visualisiert werden (Bild 5c).

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Bild 5: Anwendung des ESPI-Messverfahrens (a) für die Beanspruchung einer Kreisplatte aus Polyvinylchlorid (Kurzzeichen: PVC), (b) Darstellung des 2d- und 3d-Verschiebungsfeldes und (c) Erfassung des rissspitzennahen Deformationsfelds an einem CT-Prüfkörper aus Polyoxymethylen (Kurzzeichen: POM)

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Bild 6: Nutzung der ESPI-Messtechnik im Zugversuch an Kunststoffen (a) für einen Vielzweckprüfkörper aus Polyamid 6 (Kurzzeichen: PA6) mit 30 M.-% Glasfasern und (b) für einen prismatischen Prüfkörper aus Polyvinylchlorid (Kurzzeichen: PVC)

Das Feldmessverfahren kann jedoch nicht nur bei ruhenden, sondern auch sich bewegenden Prüfobjekten wie z. B. Vielzweckprüfkörpern angewandt werden (Bild 6a). An ausgewählten integralen Dehnungen werden jeweils Messungen des lokalen Deformationsfeldes in der näheren Umgebung des mittig angebrachten Lochs vorgenommen. Aus der farblichen Intensität und der geometrischen Veränderungen der Dehnungsisoklinen sind die Veränderungen des Deformationsfelds infolge zunehmender Beanspruchung bzw. integraler Dehnung deutlich erkennbar. Bei der Untersuchung des Deformationsverhaltens prismatischer Prüfkörper aus PVC werden die Einspannprobleme (siehe: Prüfkörpereinspannung) derartiger Probengeometrien anschaulich verdeutlicht (Bild 6b). Infolge der Hertz‘schen Pressung an den Einspannklemmen ist die Dehnungsverteilung hier stark inhomogen, was letztendlich zum Bruch des Prüfkörpers in oder an der Klemme und damit zu nicht gültigen Versuchsergebnissen führt.

Grundsätzlich müssen bei den Speckle-Interferometern, wie auch den Laserextensometern infolge der Laserleistung Sicherheitsbestimmungen eingehalten werden, die z. B. bei dem Objekt-Rasterverfahren nicht notwendig sind. Die ESPI reagiert zudem auch empfindlicher gegenüber äußeren Vibrationen und erfordert teilweise schwingungsisolierte Stellflächen, wodurch die Laser-Speckle-Interferometrie zumeist auch kostenintensiver ist.
Bei Prüfobjekten in der Größenordnung einiger Quadratmillimeter bestehen Vorteile des Objekt-Rasterverfahrens gegenüber der Speckle-Interferometrie, wobei die Speckle-Interferometrie insbesondere dann genutzt werden sollte, wenn höchste Auflösung und Genauigkeit für die Verschiebungsmessung im Vordergrund stehen.


Literaturhinweise

[1] Tutsch, R., Ritter, R., Petz, M.: Zur flächenhaften zerstörungsfreien Prüfung mit Hilfe optischer Feldmeßtechnik. DGZfP- Jahrestagung Berlin 2001, V24, S. 1–11
[2] Meinlschmidt, P, Hinsch, K. D. (Hrsg): Selected Papers on Electronic Speckle Pattern Interferometry: Principles and Practice. Spie Press, (1996) (ISBN 978-0-819-42376-4)
[3] Momber, A. W., Schulz, R.-R.: Handbuch der Oberflächenbearbeitung Beton, Bearbeitung – Eigenschaften – Prüfung. Birkhäuser Verlag, Basel, (2006), (ISBN 978-3-7643-6218-9)
[4] Jacquot, P., Fournier, J.-M. (Eds.): Interferometry in Speckle Light. Springer Verlag, Berlin, (2000) (ISBN 3-540-67943-x)
[5] Razumovsky, I. A., Galkin, A. Y.: Foundations of Engineering Mechanics – Interference-optical Methods of Solid Mechanics. Springer Verlag, Berlin, (2011), (ISBN 978-3-642-11221-8)
[6] Gesellschaft für Optische Messsysteme – GOM, Braunschweig, Produktinformationen, http://www.gom.com/de/messsysteme/aramis.html (Aufruf am 15.02. 2018)