DE102005015435A1

DE102005015435A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der zeitlichen Phasenschiebetechnik

Info

Publication number: DE102005015435A1
Application number: DE200510015435
Authority: DE
Inventors: Peter Maeckel; Hubert Schreier; Helmut Heyen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-04-05
Filing date: 2005-04-05
Publication date: 2007-02-15

Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum zeitlichen Phasenschieben, insbesondere für Messverfahren in Kombination mit Bildaufnahmemethoden und Intensitätsmessungen, wie die elektronische Speckle Interferometrie oder Shearography. Wesentliche Merkmale der Lösung sind die Verwendung der vorhandenen Kamerasteuerung zur Bildaufnahme für die Phasenschiebung in Kombination mit mechanisch in Reihe geschalteten, jedoch elektrisch getrennten Piezoelementen. Bei Verwendung von N Elemente bzw. Piezoaktoren addieren sich die Einzelhübe, wobei nur geringe Spannungen gegenüber den bekannten Verfahren elektrisch parallel geschalteter Piezoelemente erforderlich sind. Bei jeder Bildaufnahme und dem dazugehörigen Triggersignal kann so die Phasenschiebung mittels einer einfachen Schaltung um einen festgelegten Gangunterschied weitergeschaltet werden, bis die gewünschten N Gangunterschiede aufgezeichnet sind. Die bisher notwendigen Spannungsquellen, Ansteuerungsgeräte und Zuleitungen können somit entfallen.

Description

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum zeitlichen Phasenschieben insbesondere für Messverfahren in Kombination mit Bildaufnahmemethoden und Intensitätsmessungen, wie die elektronische Speckle Interferometrie oder Shearography.
Das Prinzip der zeitliche Phasenschiebetechnik ist u. a. aus der interferometrischen Messtechnik oder aus Streifenprojektionsverfahren bekannt und wird dort überwiegend angewendet. Im Fall der Interferometrie wird dabei die optische Weglänge eines Teilstrahls – entweder des Objekt- oder Referenzstrahlengangs (oder durch Aufteilen der verscherten Strahlen wie z. B. in der Shearography) – variiert und damit die relative Phasenlage des einen Teilstrahls gegenüber dem anderen geändert. Diese relativen Gangunterschiede werden beispielsweise durch die Bewegung eines Spiegels erzeugt oder durch Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit beim Durchleuchten eines Mediums oder Körpers realisiert. Für den Fall der zeitlichen Phasenschiebung werden hierbei für N relative Gangunterschiede entsprechend N Intensitätsmessungen der beiden interferierenden Teilstrahlen (Objekt- und Referenzstrahl, bzw. die korrespondierenden Teilstrahlen in der Shearography) nacheinander aufgezeichnet.
Eine Alternative zur zeitlich separierten Aufzeichnung der Intensitäten ist die Aufteilung der Strahlführung in N fest installierte Gangunterschiede und N gleichzeitige Intensitätsaufzeichnungen in einem festen Aufbau. Die Realisierung dieser Methode hat zwar gegenüber der zeitlichen Phaseschiebemethode den Vorteil, dass lediglich die Zeit einer (gleichzeitigen) Belichtung des Intensitätsmesssystem benötigt wird, sie ist jedoch in der technischen Realisierung mit höherem Aufwand verbunden. Daher werden überwiegend die zeitlichen Phasenschiebemethoden eingesetzt.
Die bekannten zeitlichen Phasenschiebemethoden und deren Vorrichtungen basieren hingegen in der Regel auf einem Computerprogramm, das mittels I/O Controller die Zeitpunkte der Bildaufzeichnung zum Beispiel durch eine Digitalkamera und separat dazu die Zeitpunkte der Phasenschiebung steuert. Dies führt zu einem erheblichen Aufwand, da hierfür sowohl eine Steuerkarte oder Ausgang für die Kamera als auch für das Phasenschiebemodul benötigt wird.
Aufgabe der Erfindung ist den Aufbau und das Verfahren der Phasenschiebung zu vereinfachen. Dazu wird ausgenutzt, dass bei der zeitlichen Phasenschiebung die Bildaufnahme und Phasenschiebung nacheinander erfolgt bzw. erfolgen kann. Verwendet man die bereits gegebene Kamerasteuerung zur Bildaufnahme ebenso für die Phasenschiebung in Kombination mit einer entsprechenden Zeitverzögerung, so kann ein Steuergerät entfallen. Bei jeder Bildaufnahme und dem dazugehörigen Triggersignal kann die Phasenschiebung mittels einer einfachen Schaltung um einen festgelegten Gangunterschied weitergeschaltet werden, bis die gewünschten N Gangunterschiede aufgezeichnet sind. Danach setzt die Schaltung die Vorrichtung zur Erzeugung der Gangunterschiede wieder auf den Ausgangzustand zurück und geht in Wartestellung für ein neues Triggersignal der Bildaufnahme. Alternativ kann auch ein Triggersignal der Phasenschiebung zum Start bzw. zur Aufzeichnung der Intensitätsmessung herangezogen werden. Vorteil der ersten Methode ist jedoch, dass die benötigten Triggersignale im Fall der konventionellen, industriellen digitalen Bildaufzeichnungssystemen für die Automatisierungs- und Überwachungstechnik in vielen Fällen bereits vorhanden sind. Ebenso kann bereits die Stromversorgung der Kamera für die Phasenschiebevorrichtung mit verwendet werden.
Bei der Verwendung der vorhandenen Stromversorgung stellt sich jedoch ein weiteres Problem der bisher bekannten Technik. Verwendet man beispielsweise zur Erzeugung der Phasenschiebung Spiegel, die von einem Piezoaktor bewegt werden, so sind hierfür relativ hohe Spannungen notwendig, um den gewünschten Hub im Wellenlängenbereich des verwendeten Lichtes zu erzeugen. Die benötigten N Spannungsstufen für die N Gangunterschiede werden in der bisher bekannten Technik durch Hochvoltanalogverstärker realisiert, welche wiederum von einem Digital/Analogwandler vom Computer angesteuert werden (oder beide Baugruppen sind in einem System vereint). Zur Steuerung des Piezostapels werden entsprechend die Spannungen U₁, U₂, U₃, ..., U_N erzeugt wobei die Minimalspannung U₁ = U_min und die Maximalspannung U_N = U_max ist.
Als Ergänzung zur oben beschriebenen Ansteuerung der Erfindung kann diese wahlweise mit einer Vorrichtung kombiniert werden, der folgende Erfindung zugrunde liegt: Die maximal Spannung U_max kann reduziert und gleichzeitig die Stufung der Spannungen U₁, U₂, U₃, ..., U_N vermieden werden, wenn N zueinander isolierte Piezoaktoren bzw. Piezoelemente verwendet werden, die mechanisch in Reihe geschaltet bzw. angeordnet sind (die Einzelhübe addieren sich) und elektrisch parallel von der Schaltung betrieben werden (Maximalspannung bleibt gleich).
Vorzugsweise werden hierfür Piezos mit identischen Spannungs/Hub-Verhältnissen eingesetzt. Für jede gewünschte Gangänderung wird dabei jeweils ein Piezo hinzugeschaltet bzw. alternativ wieder abgeschaltet. Somit kann für jeden Piezo die gleiche Spannung (oder nahezu die gleiche Spannung) verwendet werden, wobei sich jedoch der mechanische Hub aufsummiert. Die tatsächliche Phasenschiebung der Vorrichtung muss dabei nicht genau bestimmt werden, wenn zur Phasenrekonstruktion die bekannten Verfahren verwendet werden, die lediglich identische Phasenschiebungen (vorzugsweise kleiner 90°) voraussetzen.
Sind die Kennlinien (Hub/Spannung) der kombinierten Piezoelemente nicht identisch bzw. soll die Genauigkeit erhöht werden, so können die Spannungen für die jeweiligen Piezoelemente auch mittels einer Kalibrierung abgestimmt werden. Alternativ können bei entsprechenden Abweichungen auch die tatsächlichen Phasenschiebungen gemessen werden, so dass jede einzelne Phasenschiebung N für den Berechnungsvorgang der allgemein bekannten Phasenrekonstruktionsmethoden bekannt ist. Ebenso können die Spannungen auf bestimmte Phasenschiebungen wie 90° (für N = 3 oder N = 4) abgestimmt werden und somit spezielle Berechnungsverfahren für die Phasenrekonstruktion verwendet werden.
Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung ist, dass hiermit beispielsweise ein mobiles Messsystem in Kombination mit einem Laptop realisiert werden kann, bei der lediglich z. B. der Standard IEEE 1394 (Firewire) oder USB für Digitalkameras als Schnittstelle verwendet wird. Dies ist beispielsweise im Fall der Shearography von Vorteil, wenn diese als zerstörungsfreies Prüfverfahren im mobilen System eingesetzt wird. Auf der Basis des hier beschriebenen Verfahrens und Vorrichtung kann so ein kompaktes Shearografiesystem aus Sheaografiesensor und Laptop auf der Basis einer mit IEEE 1394 oder USB Schnittstelle realisiert werden.

Claims

Verfahren zur zeitlichen Phasenschiebung und Intensitätsmessung oder Bildaufnahme mittels einer Steuerung, die lediglich ausgehend von einem Steuersignal die Intensitätsmessung und Phasenschiebung in Kombination mit einer Zeitverzögerung generiert wird.
Verfahren zur zeitlichen Phasenschiebung und der Intensitätsmessung oder Bildaufnahme mittels einer Steuerung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitverzögerungsglied dafür sorgt, dass die Bildaufnahme und Phasenschiebung zeitlich nacheinander getrennt erfolgen.
Verfahren zur Steuerung der zeitlichen Phasenschiebung und der Intensitätsmessung oder Bildaufnahme nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise vor bzw. nach jeder Intensitätsmessung oder Bildaufnahme und dem dazugehörigen Signal die Phasenschiebung mittels einer Schaltung um einen festgelegten Gangunterschied bzw. Phasendifferenz bzw. festegelegte Gangunterschiede bzw. Phasendifferenzen weitergeschaltet wird, bis die gewünschte Anzahl der Gangunterschiede und die dazugehörigen Intensitätsmessungen oder Bildaufnahmen aufgezeichnet worden sind.
Verfahren zur Steuerung der zeitlichen Phasenschiebung und der Intensitätsmessung oder Bildaufnahme nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass nach der Aufzeichnung der gewünschte Anzahl der Intensitätsmessungen oder Bildaufnahmen bei den gewünschten Gangunterschieden bzw. Phasendifferenzen die Schaltung der entsprechenden Vorrichtung zur Erzeugung der Gangunterschiede wieder auf den Ausgangszustand zurücksetzt wird und in Wartestellung für ein weiteres Steuer- bzw. Triggersignal geht.
Verfahren zur Steuerung der zeitlichen Phasenschiebung und der Intensitätsmessung oder Bildaufnahme nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise die gegebenen Steuer- bzw. Triggersignale von Kameras zur Bildaufnahme für die Phasenschiebung herangezogen werden, die insbesondere bei Industriekameras bereits standardmäßig zur Verfügung stehen.
Vorrichtung zur Phasenschiebung dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Piezoelemente oder Piezoaktoren bezüglich ihres mechanischen Hubs oder Ausdehnung in Reihe geschaltet oder angeordnet sind, jedoch elektrisch parallel betrieben werden können, so dass für jede gewünschte Gangänderung oder Phasenlagenänderung jeweils ein Piezo hinzugeschaltet oder wieder abgeschaltet werden kann und die Hübe der einzelnen Piezos sich aufsummieren können.
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der zeitlichen Phasenschiebung und der Intensitätsmessung oder Bildaufnahme nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise hierfür Piezos mit identischen oder nahezu gleichen Spannungs/Hub-Verhältnissen eingesetzt werden.
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der zeitlichen Phasenschiebung und der Intensitätsmessung oder Bildaufnahme nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass bei unterschiedlichen oder unbekannten Spannungs-/Hub-Verhältnissen diese durch eine Kalibrierung bestimmt werden kann und für Phasenschiebemethoden mit festgelegten und/oder bekannten Phasenschiebemethoden eingesetzt werden kann.