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Phasenmessende Deflektometrie (PMD)

Grundlagen der Messmethode

Ein relativ einfaches optisches Feldmessverfahren ist das Raster-Reflexionsverfahren, welches für die Vermessung und Ermittlung der Deformation von ebenen und gekrümmten, glänzenden bzw. reflektierenden Oberflächen von Prüfobjekten eingesetzt werden kann [1, 2]. Heute wird die Weiterentwicklung dieses Messverfahren, das außer in Reflexion auch im Transmissionsmodus bei lichtdurchlässigen oder opaken Medien verwendet werden kann, zumeist als Phasenmessende Deflektometrie (PMD) bezeichnet [3–5].
Werden Lichtstrahlen großflächig mit einer diffusen sinusförmigen Mustercodierung unter einem schrägen Einfallwinkel auf ein reflektierendes Prüfobjekt gestrahlt, dann wird das Licht durch das Objekt abgelenkt und in eine CCD-Kamera reflektiert. Die Oberfläche dient dabei quasi als Spiegel, der die gewählte Licht-Rasterstruktur abbilden kann, wobei die Ablenkung vom Winkel zur Oberflächennormalen abhängt, d. h. bei der Deflektometrie wird die lokale Neigung des betreffenden Lichtstrahls ermittelt [3]. Zur Erzeugung eines Musters von Punkten oder Streifen (Flächenverfahren) werden angestrahlte Mattscheiben oder LCD-Displays als Diapositive mit einem Liniengitter benutzt, deren Muster diffus unter einem definierten Abstrahlwinkel auf das spiegelnde Prüfobjekt geworfen wird. Die durch die CCD-Kamera empfangenen Strahlen werden entsprechend des Reflexionsgesetzes ausgewertet, wobei immer garantiert ist, dass der reflektierte Streifen eindeutig einem emittierten zuordenbar ist. Bei ebenen Oberflächen ist das empfangene Streifenmuster identisch zum ausgesandten Muster (Bild 1a).
Geometrische oder belastungsbedingte Formänderungen der Prüfoberfläche führen zu Verzerrungen des Streifenmusters im Spiegelbild des Musters (Bild 1b), wobei die Empfindlichkeit der Registrierung einer Formänderung besonders hoch ist, wenn die Reflexion unter einem möglichst flachen Winkel erfolgt.

Raster Reflexionsverfahren-1.jpg

Bild 1: Funktionsprinzip der Deflektometrie an spiegelnden Oberfläche (a) an ebenen Prüfobjekten und (b) an gekrümmten oder verformten Objekten

Deflektometrie – Messtechnik und Anwendung

Ein grundsätzliches Problem tritt bei der Deflektometrie mit einer CCD-Kamera auf, welches in der Mehrdeutigkeit der Zuordnung der potentiellen Oberflächennormalen besteht. Die infolge der Fokussierung auf das Prüfobjekt unscharf abgebildeten Streifen können hinsichtlich der Phase φ der Kamerapixel ausgewertet werden, da eine Projektion von vielen Bildern mit einem Phasenoffset existiert. Benutzt man 2 Kameras mit unterschiedlichen Positionswinkel, dann kann mittels Berechnung der potentiellen Oberflächennormalen sowie dem Vergleich der Normalenfelder der Kameras die wahre Position der Normalen bestimmt werden, da nur dann beide Felder übereinstimmen. Dieses Verfahren wird als Stereodeflektometrie bezeichnet und eliminiert die Mehrdeutigkeit, wodurch die Höhen- und Neigungsänderung in x- und y-Richtung detektiert werden können und folglich auch separierbar sind [3, 6, 7], falls eine ordnungsgemäße Kalibrierung des Messsystems vorliegt. Ein kommerzielles PMD-Prüfsystem z. B. zur Vermessung der Form, Konturen und Oberflächen für optische Linsen ist im Bild 2 dargestellt.

Raster Reflexionsverfahren-2.jpg

Bild 2: PMD-Messsystem zur Form-, Kontur- und Oberflächenmessung der Fa. SCHNEIDER GmbH & Co. KG, Steffenberg

Derartige PMD-Prüfgeräte oder mobil aufgebaute Prüfsysteme können nicht nur zur Vermessung von optischen Linsen oder Brillengläsern [3, 8] im Millimeterbereich eingesetzt werden, sondern auch zur Prüfung von Windschutzscheiben aus Glas oder Kunststoff sowie reflektierenden Karosserieteilen in der Automobilindustrie mit einem Messfeld von mehreren Metern verwendet werden [8, 9]. Verschiedene Applikationen im Kunststoffbereich [1, 2] belegen auch die Eignung der Deflektometrie zur Defektoskopie wie z. B. der Erfassung von belastungsbedingten Schädigungen wie Delaminationen oder Stringerablösungen an CFK-Bauteilen im Flugzeugbau.
Da dieses Prüfverfahren nicht auf interferometrischen Prinzipien beruht und keine sich bewegenden Bestandteile enthält, ist es auch relativ störunempfindlich gegenüber Vibrationen und kann sowohl für sehr kleine als auch große Prüfobjekte angewandt werden.


Literaturhinweise

[1] Ritter, R.: Feldmeßmethoden zur Ermittlung von Weg- und Dehnungsgrößen – Übersicht über den derzeitigen Stand. In: Tagungsband DVM-Tagung Werkstoffprüfung `93, Bad Nauheim, 2.–3.12. 1993: S. 131−143
[2] Knauer, M. C., Richter, C., Hybl, O., Kaminski, J., Faber, C., Häusler, G.: Deflektometrie macht der Interferometrie Konkurrenz. Technisches Messen 76 (2009) 4, S. 175–181
[3] Knauer, M. C.: Zauberspiegel, Brillengläser und Wasserhähne – alte Probleme neu beleuchtet. DGaO Proceedings (2007), http://www.dgao-proceedings.de
[4] Petz, M., Tutsch, R.: Rasterreflexions-Photogrammetrie zur Messung spiegelnder Oberflächen (Reflection Grating Photogrammetry for the Measurement of Specular Surfaces). (2009) DOI: https://doi.org/10.1524/teme.71.7.389.36694
[5] Petz, M.: Rasterreflexions-Photogrammetrie – Ein neues Verfahren zur geometrischen Messung spiegelnder Oberflächen. Dissertation (2009), TU Braunschweig, (ISBN 978-3-8322-4944-1)
[6] Tutsch, R., Ritter, R., Petz, M.: Zur flächenhaften zerstörungsfreien Prüfung mit Hilfe optischer Feldmeßtechnik. DGZfP- Jahrestagung Berlin 2001, V24, S. 1–11
[7] Knauer, M. C., Veit, K.: Vermessung spiegelnder Oberflächen – eine Aufgabe der optischen 3D-Sensorik. Z. f. Photonik 4 (2004) S. 62–64
[8] Seßner, R., Häusler, G.: Richtungscodierte Deflektometrie (RCD). DGaO-Proceedings 2004
[9] Tränkler, H. R., Obermeier, E. (Hrsg.): Sensortechnik – Ein Handbuch für Praxis und Wissenschaft. Springer Verlag, Berlin 1998, (ISBN 978-3-662-09867-0)