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DE19509962A1 - Three spatial components of three=dimensional object surface displacement vector field determn. method - Google Patents

Three spatial components of three=dimensional object surface displacement vector field determn. method

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Publication number
DE19509962A1
DE19509962A1 DE1995109962 DE19509962A DE19509962A1 DE 19509962 A1 DE19509962 A1 DE 19509962A1 DE 1995109962 DE1995109962 DE 1995109962 DE 19509962 A DE19509962 A DE 19509962A DE 19509962 A1 DE19509962 A1 DE 19509962A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
contour
pattern
time
object surface
vvf
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE1995109962
Other languages
German (de)
Inventor
Thomas Dr Wolf
Herbert Prof Dr Ing Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Universitaet Karlsruhe
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Karlsruhe filed Critical Universitaet Karlsruhe
Priority to DE1995109962 priority Critical patent/DE19509962A1/en
Publication of DE19509962A1 publication Critical patent/DE19509962A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/167—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by projecting a pattern on the object

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

The method involves using at least one sensor (31,32), and an evaluation unit (4), pref. a digital computer. Radiation from a source (1) is reflected at an object (2), and received by the sensor unit (3), and the measurement value obtained is evaluated in the evaluation unit. A pattern comparison for determining both components u and v of a displacement vector field is combined with the comparison of contours of the object. This determines a component w of displacement vector field. The pattern on the object surface as well as the contour of the same object are received within a given time period. Both the pattern and the contour are than time displaced by another time period. A pattern comparison is then carried out so that a possible alteration of the contour of the object is determined.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung aller drei räumlichen Komponenten u, v und w des Verschiebungsvektorfeldes (VVF) einer Objektoberfläche.The invention relates to a method and an apparatus for Acquisition of all three spatial components u, v and w des Displacement vector field (VVF) of an object surface.

Das dreidimensionale VVF beschreibt die Verschiebung (u, v, w) jedes Punktes (x, y, z) einer Objektoberfläche zum verschobenen Punkt (x′, y′, z′), wobei gilt, daß x′=x+u, y′=y+v und z′=z+w. Dabei sollen die Koordinaten x und y die Objektebene ("in­ plane") und die Koordinate z die dazu senkrechte Richtung ("out-of-plane") definieren. Die Verschiebung, d. h. die Änderung der Koordinaten materieller Ortspunkte auf der Objektoberfläche, wird durch Verformung des Objekts mittels einer geeigneten Prüf- oder Belastungseinrichtung, die fest mit dem Objekt verbunden ist, erzeugt oder kann auch selbst­ tätig beispielsweise durch ein Verfließen des Objektes etwa beim Schmelzvorgang erfolgen. Im allgemeinen nimmt das VVF für alle drei Komponenten u, v und w von Null verschiedene, prinzipiell meßbare Werte an.The three-dimensional VVF describes the displacement (u, v, w) each point (x, y, z) of an object surface to be moved Point (x ′, y ′, z ′), where x ′ = x + u, y ′ = y + v and z ′ = z + w. The coordinates x and y should be the object plane ("in plane ") and the coordinate z is the direction perpendicular to it ("out-of-plane"). The shift, i. H. the Change the coordinates of material locations on the Object surface, is created by deforming the object a suitable test or loading device that is fixed is connected to the object, or can also be created active, for example, by the object flowing away done during the melting process. In general, the VVF takes for all three components u, v and w different from zero, in principle measurable values.

Aus dem dreidimensionalen VVF können durch Ableitungen nach dem Ort bzw. der Zeit zusätzlich weitere Größen sehr einfach erfaßt werden. Die erste Ableitung der Komponenten nach der Zeit du/dt, dv/dt und dw/dt liefert alle Komponenten der Geschwindigkeit, die zweite Ableitung d²u/dt² usw. der Beschleunigung des entsprechenden Punktes auf der Objekt­ oberfläche. Von technisch größerer Bedeutung und meßtechnisch nur durch gewissen Aufwand direkt zugänglich sind die räum­ lichen Ableitungen du/dx, du/dy, du/dz, dv/dx usw. des VVF, welche zur Berechnung der Oberflächenverzerrungen des Objektes erforderlich sind.From the three-dimensional VVF can be derived by derivatives the location or the time additional sizes very easily be recorded. The first derivative of the components after the Time du / dt, dv / dt and dw / dt delivers all components of the Speed, the second derivative d²u / dt² etc. the  Acceleration of the corresponding point on the object surface. Of greater technical importance and measuring technology the rooms are only directly accessible through a certain effort the derivations du / dx, du / dy, du / dz, dv / dx etc. of the VVF, which are used to calculate the surface distortions of the Object are required.

Herkömmliche Verfahren erlauben es insbesondere nicht, alle drei Raumkomponenten eines Verschiebungsvektorfeldes "in Echtzeit", d. h. gleichzeitig oder in direkt aufeinander­ folgenden Messungen, vorzugsweise im Videotakt (z. B. 25 Hz) eines Bilddetektors, zu erfassen. Die Verwendung eines Konturmeßverfahrens, welches die Position der Punkte der zu untersuchenden Objektoberfläche in z-Richtung (out-of-plane) ermitteln kann, ermöglicht durch zwei aufeinanderfolgende Messungen zwar die Bestimmung von Konturänderungen, welche der Komponente w entsprechen. Da sich aber beim Auftreten einer Verformung gleichzeitig auch die Koordinaten x und y des betrachteten Punktes zu x′ bzw. y′ verschieben, können die weiteren Koordinaten u und v des VVF am Punkt (x, y, z) nicht ohne weitere Maßnahmen ermittelt werden. Deshalb ist die Bestimmung der Komponente w aus einem Konturvergleich nur dann sinnvoll, wenn keine in-plane Verschiebung vorliegt (d. h. u=0 und v=0) oder zumindest w sehr viel größer als u und v ist. Die Kenntnis der Komponenten u und v muß deshalb für den allgemeinen dreidimensionale Verformungszustand aus zusätzlichen Informationen gewonnen werden.Conventional methods in particular do not allow all three spatial components of a displacement vector field "in Real time ", i.e. simultaneously or in direct succession following measurements, preferably in video clock (e.g. 25 Hz) of an image detector. The use of a Contour measuring method, which determines the position of the points of the object surface in the z-direction (out-of-plane) can determine, made possible by two successive Measurements do the determination of contour changes, which correspond to component w. But when it occurs a deformation, the coordinates x and y at the same time of the point under consideration to x ′ or y ′ the further coordinates u and v of the VVF at the point (x, y, z) cannot be determined without further measures. Therefore the determination of component w from a contour comparison only then makes sense if there is no in-plane displacement (i.e. u = 0 and v = 0) or at least w much larger than u and v is. Knowledge of the components u and v must therefore for the general three-dimensional state of deformation additional information can be obtained.

Auf der anderen Seite sind sogenannte Mustervergleichsverfah­ ren, wie z. B. in Sutton et al., "Application of an optimized digital correlation method to planar deformation analysis", Image and Vision Computing, 1986, Band 4, Seite 143-150 und D.J. Chen und F.P. Chiang, "Optimal sampling and range of measurement in displacement only laser speckle correlation" Experimental Mechanics, 1992, Band 32, Seite 145-153, beschrieben, als von den Konturmeßverfahren völlig unab­ hängige Verfahren bekannt, welche die Korrelation von Mustern auf einer Objektoberfläche vor und nach einer Verformung dieser Oberfläche bestimmen können. Diese Art von Verfahren erlaubt es, die Verschiebung der Koordinaten x und y eines Punktes der Objektoberfläche nach x′ bzw. y′ und damit die in-plane Komponenten u und v des VVF am Punkt (x, y, z) zu bestimmen. Leider ist auch hier die Bestimmung von u und v nicht unabhängig von der out-of-plane Komponenten w. So führt die im allgemeinen divergente Abbildung der Objektoberfläche auf einen bildgebenden Sensor zu einer Verfälschung der Komponenten u und v zu u+du bzw. v+dv, wobei der Fehler du bzw. dv von der absoluten Größe und eine Fehlerkorrektur von der Kenntnis der out-of-plane Komponenten w abhängt. Die Verwendung telezentrischer Abbildungsoptiken verfälscht als divergenzenfreier Strahlengang die Komponenten u und v des VVF zwar nicht, läßt aber die Komponente w unbestimmt.On the other hand, there are so-called pattern comparison procedures ren, such as B. in Sutton et al., "Application of an optimized digital correlation method to planar deformation analysis ", Image and Vision Computing, 1986, Volume 4, pages 143-150 and D.J. Chen and F.P. Chiang, "Optimal sampling and range of measurement in displacement only laser speckle correlation " Experimental Mechanics, 1992, volume 32, pages 145-153, described as completely independent of the contour measurement method pending methods known which correlate patterns on an object surface before and after deformation  can determine this surface. That kind of procedure allows you to shift the coordinates x and y of one Point of the object surface according to x ′ or y ′ and thus the in-plane components u and v of the VVF at point (x, y, z) determine. Unfortunately, the determination of u and v is also here not independent of the out-of-plane components w. So leads the generally divergent image of the object surface on an imaging sensor to falsify the Components u and v to u + du and v + dv, the error being du or dv of the absolute size and an error correction of knowledge of the out-of-plane components w. The Use of telecentric imaging optics falsified as divergence-free beam path the components u and v des VVF does not, but leaves component w undetermined.

Weiterhin können beide Arten von Verfahren die Zuordnungspro­ blematik grundsätzlich nicht lösen, da sie je nach konkreter Ausgestaltung immer auf unterschiedliche Punkte (x, y, z) zur Bestimmung der jeweils angestrebten Meßgröße bezogen sind. Die Ermittlung von übereinstimmenden Punkten führt entweder dazu, daß zueinander passende materielle Objektpunkte ("Paß­ punkte") aufgefunden werden müssen, was unter Verzicht auf hohe Auflösung mit einem großen Fehler behaftet ist, oder den gleichzeitigen Einsatz von zwei oder drei identischen Appara­ turen erforderlich macht, die dergestalt angeordnet sind, daß sie in die Lage versetzt werden, separat die jeweiligen Komponenten an bestimmten Punkten auf der Objektoberfläche zu erfassen.Furthermore, both types of procedures can Basically do not solve the problem, since it depends on the specific Design always on different points (x, y, z) Determination of the respective target quantity are related. The determination of matching points leads either to the fact that matching material object points ("Pass points ") must be found, what is waived high resolution is flawed, or the simultaneous use of two or three identical appara Requires doors that are arranged such that they are enabled, separately the respective Components at certain points on the object surface to capture.

Daher ist auch das gängige Verfahren in der industriellen dreidimensionalen Verformungsanalyse der stereoskopische Einsatz zweier Bildaufnahmeeinrichtungen, wie z. B. Kameras. Bei der Verwendung von Spezialkameras können damit zwar Konturauflösungen in der Größenordnung 10-4 bezüglich der Diagonalen des betrachteten Bildausschnittes erzielt werden, jedoch erfordert sowohl die Kalibrierung des Meßsystems als auch die Verfolgung von Paßpunkten in beiden Kameras einen derart hohen apparativen Aufwand, daß diese Vorrichtung in der Praxis hauptsächlich für die Vermessung von Objekten im Meterbereich (Häuser, Brücken und dgl.) in Frage kommt. Verformungen im µm-Bereich werden üblicherweise mittels der Anwendung von holographischen Verfahren erfaßt, wobei zur Bestimmung des VVF für jede der drei Raumrichtungen eine separate holographische Meßeinrichtung benötigt wird, was einen vergleichsweise hohen apparativen Aufwand bedingt. Darüber hinaus erfordert die klassische Holographie selbst bekanntermaßen einen beträchtlichen Aufwand zu ihrer Aus­ wertung, so daß dieses Verfahren nur im Labor und dort selbst nur bei ganz speziellen Meßproblemen eingesetzt wird. Eine Verbesserung der holographischen Meßtechnik, die bei Verfor­ mungen bis zu einer Größe von höchstens ca. 10 µm eingesetzt werden kann, ist ein als "Electron-Speckle-Pattern-Inter­ ferometry" ("ESPI") oder "TV-Holographie" bekanntes Verfahren. Aufgrund der digitalen Aufnahmemöglichkeiten und des damit weitgehend automatisierbaren Auswerteverfahrens ist es gegen­ wärtig das einzige Verfahren zur Erfassung der in-plane Koordinaten u und v des VVF, das industriell eine gewisse Bedeutung besitzt. In der DE 41 02 881 wird darauf hingewie­ sen, daß das ESPI-Verfahren durch entsprechenden Aufwand prinzipiell auch zur Erfassung aller drei Raumkoordinaten des VVF geeignet ist, was aber das gleichzeitige Vorhandensein von mindestens drei Beleuchtungseinrichtungen zur Voraus­ setzung hat. Aus diesem Grund wird in der DE 41 02 881 aus­ drücklich der Schluß gezogen, daß eine gleichzeitige Erfas­ sung des 3D-VVF in allen drei Verformungsrichtungen nicht ohne weiteres möglich sei und daher zusätzliche Maßnahmen erforderlich mache.Therefore, the common method in industrial three-dimensional deformation analysis is the stereoscopic use of two image recording devices, such as. B. cameras. When using special cameras, contour resolutions of the order of 10 -4 with respect to the diagonals of the viewed image section can be achieved, but both the calibration of the measuring system and the tracking of control points in both cameras require such a high level of equipment that this device can be used in practice mainly for the measurement of objects in the meter range (houses, bridges and the like). Deformations in the μm range are usually recorded using holographic methods, a separate holographic measuring device being required for determining the VVF for each of the three spatial directions, which requires a comparatively high expenditure on equipment. In addition, classic holography, as is known, requires a considerable amount of effort to evaluate it, so that this method is only used in the laboratory and there only for very special measurement problems. An improvement in holographic measurement technology, which can be used for deformations up to a size of at most approximately 10 μm, is a method known as "electron speckle pattern interferometry"("ESPI") or "TV holography" . Due to the digital recording options and the evaluation process that can be automated to a large extent, it is currently the only process for recording the in-plane coordinates u and v of the VVF that has a certain industrial significance. In DE 41 02 881 it is pointed out that the ESPI method is in principle also suitable for detecting all three spatial coordinates of the VVF by corresponding effort, but this requires the simultaneous presence of at least three lighting devices. For this reason, DE 41 02 881 expressly draws the conclusion that simultaneous detection of the 3D VVF in all three deformation directions is not readily possible and therefore requires additional measures.

Zudem beinhaltet die in der DE 41 02 881 angegebene Vor­ richtung eine Reihe von meßtechnischen Schwierigkeiten, insbesondere hinsichtlich ihrer Kalibrierung und benötigter Schwingungsisolierung. Weiterhin stellen aufgrund der für dieses Verfahren erforderlichen kohärenten Beleuchtungs­ technik große Dehnungen und Verformungen unüberwindbare Hindernisse dar, was sowohl die Erzeugung als auch die Erfassung der Verformungen des zu untersuchenden Objekts in kleinen Teilschritten erforderlich macht. Eine aufeinander­ folgende Addition der erhaltenen Teilergebnisse in der Größenordnung von ca. 10 µm ermöglicht so zwar die Erfassung von Verformungen bis zu einem Maximalwert von etwa 1 mm, jedoch sind die erzielten Ergebnisse aufgrund unvermeidlicher Fehlerakkumulationen für die meisten Anwendungen in der Praxis erheblich zu ungenau.In addition, the pre-specified in DE 41 02 881 towards a number of metrological difficulties, especially with regard to their calibration and required Vibration isolation. Furthermore, due to the for this process requires coherent lighting technology large strains and deformations insurmountable Obstacles are what both the generation and the Detection of the deformations of the object to be examined in  small steps required. One on top of the other following addition of the partial results obtained in the The order of magnitude of approx. 10 µm enables detection from deformations up to a maximum value of approximately 1 mm, however, the results obtained are inevitable due to Error accumulations for most applications in the Practice considerably inaccurate.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, durch ein Verfahren der eingangs angegebenen Art für alle sich in einem Bildausschnitt befindlichen Oberflächenpunkte eines Objektes auf apparativ einfache Weise die drei Raumkomponenten des VVF vorzugsweise "in Echtzeit" zu erfassen.The invention is therefore based on the object Procedures of the type mentioned at the beginning for everyone in one Excerpt from surface points of an object the three spatial components of the VVF in a simple manner preferably to record "in real time".

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Verfahren zum Vergleich eines Musters auf einer Objektober­ fläche (in-plane Verfahren) mit einem Verfahren zur Erfassung der eindimensionalen Änderung der Kontur desselben Objekts (out-of-plane Verfahren) entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 kombiniert wird.This object is achieved in that a Method of comparing a pattern on an object surface area (in-plane method) with a method for detection the one-dimensional change in the contour of the same object (out-of-plane procedure) according to the characteristic Part of claim 1 is combined.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert also auf der Tatsache, daß sich das dreidimensionale VVF einer untersuchten Objekt­ oberfläche aus der zweidimensionalen Oberflächenverformung des Objektes, d. h. den Komponenten u und v des VVF und der eindimensionalen Änderung der Kontur desselben Objekts, welche der Komponente w entspricht, zusammensetzen läßt. Unabdingbare Voraussetzung zur meßtechnischen Realisierung dieses rein theoretisch einfach einleuchtenden Resultats ist es, eine Apparatur dergestalt aufzubauen, daß sich die Paßpunkte durch geeignete Kombination zweier Verfahren, näm­ lich eines Mustervergleichsverfahrens mit einem Konturmeß­ verfahren, automatisch ergeben. Da alle bekannten Verfahren diese Möglichkeit nicht besitzen, konnte bisher der voll­ ständige VVF, zudem in hoher Auflösung und Genauigkeit, in vielen praktischen Fällen nicht ermittelt werden. Dazu gehören u. a. poröse Stoffe wie etwa Schaumstoffe, deren VVF sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfassen läßt. The method according to the invention is therefore based on the fact that the three-dimensional VVF of an examined object surface from the two-dimensional surface deformation of the object, d. H. the components u and v of the VVF and the one-dimensional change in the contour of the same object, which corresponds to component w, can be put together. Indispensable prerequisite for the implementation of measurement technology this is a theoretically simple and obvious result it to build an apparatus in such a way that the Control points by a suitable combination of two methods, näm Lich a pattern comparison method with a contour measurement proceed, result automatically. Since all known procedures So far, the full could not have this possibility permanent VVF, also in high resolution and accuracy, in many practical cases cannot be determined. To belong u. a. porous materials such as foams, the VVF can be detected with the method according to the invention.  

Die Ermittlung der Koordinaten des VVF geschieht dabei im allgemeinen durch einen dreistufigen, zeitlich aufeinander­ folgenden Prozeß:The coordinates of the VVF are determined in the generally through a three-stage, chronologically one after the other following process:

  • - Bestimmung der Kontur bzw. des Musters auf der Ober­ fläche des unverformten Objekts während eines Zeitabschnittes t₁,- Determination of the contour or the pattern on the upper area of the undeformed object during a Period t₁,
  • - Verformung des Objekts und- deformation of the object and
  • - Bestimmung der Kontur bzw. des Musters auf der Ober­ fläche des verformten Objekts während eines Zeitabschnittes t₂.- Determination of the contour or the pattern on the upper area of the deformed object during a Period t₂.

Daran anschließend oder auch dazu parallel erfolgt die Aus­ wertung der aufgenommenen Meßdaten, d. h. vorzugsweise durch Differenzbildung zur Ermittlung der Konturänderungen bzw. durch eine Analyse der Korrelationen zwischen den Mustern. Die Verformung des Objekts erfolgt dabei durch das Objekt selbst (z. B. durch ein Verfließen im Laufe der Zeit), durch eine am Objekt befestigte aktiv bedienbare Verformungs­ einrichtung oder sie kann auch vollständig entfallen, indem beispielsweise im Rahmen einer Qualitätskontrolle die Objekte nur auf ihre Identität hin untersucht werden und die Werte für u, v und w des VVF möglichst klein sein sollen.Subsequent to this or in parallel with it, the off occurs evaluation of the recorded measurement data, d. H. preferably through Difference formation for determining the contour changes or by analyzing the correlations between the patterns. The object is deformed by the object itself (e.g. by flowing away over time), through an actively operable deformation attached to the object establishment or it can also be completely eliminated by for example, the objects as part of a quality control only be examined for their identity and values should be as small as possible for u, v and w of the VVF.

Ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren ist die gleich­ zeitige Aufnahme z. B. eines Streifenbildes (zur Bestimmung der Kontur der Objektoberfläche) und beispielsweise eines Specklemusters (zur Ermittlung der in-plane Komponenten) während eines Zeitabschnittes t₁. Nach erfolgter Verformung werden während eines vorzugsweise gleichlangen Zeitabschnit­ tes t₂ dieselben genannten Verfahren durchgeführt. Daran anschließend wird der Vergleich der beiden Konturen bzw. Muster in einem Rechner durchgeführt, der automatisch alle Komponenten des WF bestimmt und anzeigt. Zur apparativen Realisierung ist bei dieser Art des Verfahrens "in Echtzeit" eine Trennung der beiden jeweils gleichzeitig vorgenommenen Aufnahmen erforderlich. Dies kann beispielsweise durch folgende Maßnahmen oder eine geeignete Kombination derselben geschehen:A preferred method according to the invention is the same early admission z. B. a striped image (for determination the contour of the object surface) and, for example, one Speckle pattern (to determine the in-plane components) during a period t₁. After deformation are during a preferably equally long period tes t₂ carried out the same methods mentioned. That then the comparison of the two contours or Patterns carried out in a computer that automatically all Determines and displays components of the WF. To the apparatus With this type of process, implementation is "in real time" a separation of the two made simultaneously Recordings required. This can be done, for example following measures or a suitable combination of these happen:

  • - Trennung der beiden Aufnahmen im Rechner durch geeignete automatisch arbeitende Verfahrensschritte,- Separation of the two recordings in the computer by suitable automatically working process steps,
  • - Verwendung mehrerer Sensoren bzw. eines Sensors, der eine unterschiedliche Empfindlichkeit für beide Aufnahmen besitzt,- Use of multiple sensors or a sensor that a different sensitivity for both Owns recordings,
  • - durch Verwendung zweier Sensoren unterschiedlicher spektraler Intensität, wobei das Objekt durch mindestens zwei verschiedene Farben gleichzeitig beleuchtet wird und eine der Farben für jeweils ein Meßverfahren Ver­ wendung findet. Anstelle von zwei Farben im sichtbaren Bereich können als Markierung für das Korrelations­ verfahren bei UV-Beleuchtung fluoreszensierende Partikel verwendet werden.- by using two different sensors spectral intensity, the object by at least two different colors are illuminated simultaneously and one of the colors for a measurement method Ver turns. Instead of two colors in the visible Area can be used as a marker for the correlation process fluorescent particles under UV lighting be used.

Ein weiteres besonders bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfah­ ren besteht darin, den obigen Zeitabschnitt t₁ in zwei oder mehrere vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, gleich­ lange Zeitabschnitte, beispielsweise in t₁₁, t₁₂ usw. bis t₁₅ aufzuteilen. Während t₁₁ bis t₁₄ werden zur Bestimmung der Kontur der Objektoberfläche vier phasengeschiftete Streifen­ bilder auf die Objektoberfläche projiziert, während t₁₅ wird (wie oben) beispielsweise ein Specklemuster zur Ermittlung der in-plane-Komponenten aufgenommen. Eine entsprechende Vorgehensweise wird nach erfolgter Verformung des Objekts im Zeitabschnitt t₂ durchgeführt. Diese Art der Ausführung benötigt zwar eine längere Aufnahmezeit zur Bestimmung der Komponenten des VVF, erhöht aber die Genauigkeit der Kontur­ bestimmung um etwa eine Größenordnung auf ca. 10-4 der Bild­ diagonalen. Außerdem ist hierbei eine Trennung der zeitlich aufeinanderfolgenden Aufnahmen nicht erforderlich. Beispielsweise zur Erhöhung der Genauigkeit oder der Geschwindigkeit der Erfassung des VVF sind eine Vielzahl weiterer Gestaltungen im Hinblick auf den zeitlichen Ablauf und die zeitliche Einteilung der erforderlichen Aufnahme- und Auswerteschritte denkbar.Another particularly preferred method according to the invention is to divide the above time period t 1 into two or more preferably, but not necessarily, periods of the same length, for example, into t 11, t 12, etc. to t 11. During t₁₁ to t₁₄ four phase-shifted stripes images are projected onto the object surface to determine the contour of the object surface, while t₁₅ (as above), for example, a speckle pattern is recorded to determine the in-plane components. A corresponding procedure is carried out after the deformation of the object in the time period t₂. Although this type of design requires a longer recording time to determine the components of the VVF, it increases the accuracy of the contour determination by approximately one order of magnitude to approximately 10 -4 of the diagonal image. In addition, it is not necessary to separate the sequential recordings. For example, in order to increase the accuracy or the speed of the detection of the VVF, a large number of further designs are conceivable with regard to the chronological sequence and the chronological division of the required recording and evaluation steps.

Die Bestimmung aller Komponenten des VVF bzw. dessen Ableitungen nach dem Ort und/oder der Zeit kann insbesondere zur dreidimensionalen Verformungsanalyse von Objekten einge­ setzt werden und ist für eine Vielzahl technisch relevanter Fragestellungen von großer Bedeutung. Anwendungsbereiche sind beispielsweise die Erfassung von Dehnungen und Spannungen, insbesondere von Spannungsspitzen, aus denen sich Bruch oder Rißbildungsneigung vorhersagen lassen. Der vermehrte Einsatz von modernen Werkstoffen in der Fertigung, z. B. leicht dehn­ bare Kunststoffe mit nur schwer vermeßbaren Oberflächen (z. B. Schaumstoffe), erfordert geeignete Verfahren zur Erfassung der mechanischen Materialeigenschaften, die für die Konstruk­ tionsoptimierung und für die Qualitätssicherung grundlegend sind.The determination of all components of the VVF or its In particular, derivations based on the location and / or the time  for three-dimensional deformation analysis of objects be set and is technically relevant for a large number Issues of great importance. Areas of application are for example the detection of strains and stresses, in particular of voltage peaks that break or Predict cracking tendency. The increased use of modern materials in production, e.g. B. stretch slightly bare plastics with surfaces that are difficult to avoid (e.g. Foams), requires appropriate detection methods the mechanical material properties that are required for the construct optimization and essential for quality assurance are.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise bei Objekt­ größen von 10 mm bis 1 m im Größenbereich von Verformungen von 1 µm bis zu etwa 10 cm eingesetzt werden, so daß es die eingangs beschriebene für den industriellen Einsatz sehr bedeutsame Lücke zwischen der Stereograinmetrie (Meterbereich) und der ESPI (µm-Bereich) ausfüllt. Dabei vermeidet dieses Verfahren gleichzeitig die geschilderten Nachteile wie Schwingungs-, Dehnungs-, und Kalibrierfehlerempfindlichkeit. Eine geringe Anzahl einfacher Komponenten ermöglicht somit die Herstellung einer automatischen, robusten, schwingungs­ unempfindlichen und preisgünstigen Vorrichtung zur Bestimmung des VVF, was eine Voraussetzung für eine weite Verbreitung im industriellen Bereich ist.The method according to the invention can preferably be used for objects sizes from 10 mm to 1 m in the range of deformations from 1 µm up to about 10 cm can be used, so that it described at the beginning for industrial use Significant gap between the stereograin metric (meter range) and the ESPI (µm range) fills out. This avoids this Process simultaneously the disadvantages as described Vibration, strain and calibration error sensitivity. A small number of simple components thus enables the manufacture of an automatic, robust, vibration insensitive and inexpensive device for determination of the VVF, which is a prerequisite for widespread distribution in the industrial area.

Die Erfassung der Konturänderung erfolgt durch einen Ver­ gleich zwischen den Konturen des unverformten und des ver­ formten Objektes. Die apparative Bestimmung der Konturen eines Objektes erfolgt dabei vorzugsweise unter Verwendung von strukturierter Beleuchtung entsprechend einem oder mehr­ erer der folgenden Verfahren:The contour change is recorded by a ver right between the contours of the undeformed and the ver shaped object. The apparatus determination of the contours of an object is preferably carried out using of structured lighting corresponding to one or more of the following procedures:

  • - Aus der US 4 641 972 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein sinusförmiges Gitter auf das Objekt projiziert und das Objekt unter einem Winkel beobachtet wird. Die Auswertung erfolgt mit der Phasenshift-Technik. From US 4,641,972 a method is known in which a sinusoidal grid is projected onto the object and that Object is observed at an angle. The evaluation is done with the phase shift technique.  
  • - Nach der US 4 802 759 können die Koordinaten von Objekt­ punkten dadurch bestimmt werden, daß ein Projektionsgitter mit Licht durchstrahlt und auf das Objekt abgebildet wird. Das als Abbildung des Projektionsgitters auf dem Objekt ent­ stehende Muster wird auf einen flächenhaften, ortsauflösenden Sensor abgebildet. Die Koordinaten des Objektpunktes werden durch Triangulation des Punktes vom Projektionsgitter und Sensor aus ermittelt; wobei ein einziges Bild auf dem Sensor aufgenommen wird. Die Durchführung dieses Verfahrens erfor­ dert allerdings eine Bezugslinie.- According to US 4 802 759, the coordinates of object points are determined by the fact that a projection grid shines through with light and is imaged on the object. This as a representation of the projection grid on the object standing pattern is based on an areal, spatially resolving Sensor shown. The coordinates of the object point are by triangulating the point from the projection grid and Sensor determined from; being a single image on the sensor is recorded. The implementation of this procedure changes a reference line.
  • - Die US 4 564 295 offenbart ein Verfahren, bei dem ein Gitter auf das Objekt projiziert wird. Das Objekt wird dann abgebildet und mit einem Referenzgitter überlagert, so daß als sogenannte Höhenkonturlinien des Objekts entsprechende Moir´linien entstehen. Das Referenzgitter wird zur Auswertung der stationären Konturlinien auf dem Objekt bewegt oder Pro­ jektionsgitter und Referenzgitter werden synchron bewegt. Grundsätzlich kann unter Verwendung der Moir´-Technik und mit projizierten Linien die dreidimensionale Geometrie einer Objektoberfläche bestimmt werden (H. Takasaki, "Moir´-Topo­ graphy", Applied Optics, 1970, Band 9, Seite 1457-1472).US 4,564,295 discloses a method in which a Grid is projected onto the object. The object will then shown and overlaid with a reference grid, so that corresponding as so-called contour lines of the object Moir lines emerge. The reference grid is used for evaluation the stationary contour lines on the object moved or Pro The injection grid and reference grid are moved synchronously. Basically, using the Moir´ technique and with projected lines the three-dimensional geometry of a Object surface can be determined (H. Takasaki, "Moir´-Topo graphy ", Applied Optics, 1970, Volume 9, pages 1457-1472).
  • - Bei der US 4 349 277 werden farbige Gitter mit mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen auf das Objekt projiziert. Die Aufnahme erfolgt über Farbfilter zur Wellenlängenselektion auf zwei Diodenzeilen. Äquidistante Gitter in verschiedenen Farben, die zueinander verschoben sind, werden parallel projiziert. Die Auswertung erfolgt über das Verhältnis der Intensitäten der Farben.- In US 4,349,277 colored grids are used at least two different wavelengths on the object projected. The recording takes place via color filters Wavelength selection on two rows of diodes. Equidistant Grids of different colors that are shifted towards each other are projected in parallel. The evaluation takes place via the ratio of the intensities of the colors.

Das für diese Art von strukturierter Beleuchtung erforder­ liche Projektionsgitter selbst kann eine sinusförmige oder rampenförmige Transparenz aufweisen. Auch andere Projektions­ gitter-Transparenzen sind möglich, beispielsweise recht­ eckige, dreieckige oder sonstige geometrische Transparenzen. Als Projektionsgitter dienen geeignet belichtete Filmplatten oder Dias, die durch einstellbare Masken, beispielsweise rechnergesteuerte Flüssigkristall-Display-Masken, deren Gitterkonstante, Intensitätsverlauf und Gitterorientierung beliebig und auf einfach Weise eingestellt werden kann oder die durch miteinander auf dem Objekt interferierende Wellen­ züge gebildet werden, belichtet werden. Vorzugsweise wird das Projektionsgitter von einem Streifendia gebildet.This is required for this type of structured lighting Liche projection grid itself can be a sinusoidal or have ramped transparency. Other projection too grid transparencies are possible, for example right angular, triangular or other geometric transparencies. Appropriately exposed film plates serve as the projection grid or slides through adjustable masks, for example computer controlled liquid crystal display masks whose Grid constant, intensity curve and grating orientation  can be set arbitrarily and easily or the waves interfering with each other on the object trains are formed, exposed. Preferably that is Projection grille formed by a strip slide.

Die Auswertung der aufgenommenen Konturlinienbilder wird vorzugsweise mit Hilfe eines Rechners unter Anwendung eines oder mehrerer der folgenden Verfahren vorgenommen:The evaluation of the recorded contour line images is preferably with the help of a computer using a or more of the following:

  • - Beim Phasenshift-Verfahren (R.Dändliker, R.Tahlmann und J.F.Willemin, "Fringe Interpretation by Two-Reference-Beam Holographic Interferography: Reducing Sensitivity to Hologram Misaglignment", Optical Commun., 1982, Band 41, Seite 301 ff; B.Breuckmann, "Ein Gerätesystem für die rechnergestützte optische Meßtechnik", VDI-Berichte 617, Lasermeßtechnik, Seite 245-254) werden nacheinander phasenverschobene Bilder in den Rechner über eine Videokamera eingelesen.- In the phase shift process (R.Dändliker, R.Tahlmann and J.F. Willemin, "Fringe Interpretation by Two-Reference-Beam Holographic Interferography: Reducing Sensitivity to Hologram Misaglignment ", Optical Commun., 1982, volume 41, page 301 ff; B.Breuckmann, "A device system for computer-aided optical measurement technology ", VDI reports 617, laser measurement technology, Pages 245-254) are successively out-of-phase images read into the computer via a video camera.
  • - Fourier-Auswertung nach T.Kreis, K.Roesener u. w. Jüptner, "Holographisch interferometrische Verformungsmessung mit dem Fourier-Transformationsverfahren", 1987, Laser 87, Optoelektronik in der Technik.- Fourier evaluation according to T.Kreis, K.Roesener u. w. Jüptner, "Holographic interferometric deformation measurement with the Fourier transformation method ", 1987, Laser 87, Optoelectronics in technology.
  • - Gemäß DE 39 07 430 oder DE 38 43 396 ist nur ein Kontur­ linienbild, das z. B. durch eine Sensoraufnahme oder ein Videobild erhalten wird, notwendig. Der Sensor, der das von dem Objekt bzw. von dessen Oberfläche reflektierte Licht auf­ nimmt, ist ein Flächensensor, vorzugsweise ein CCD-Sensor. Er kann das von dem Objekt reflektierte Licht durch ein Objektiv empfangen. Die Auswertungen erfolgen auch hier vorzugsweise nach dem Phasenshift-Verfahren, unter Anwendung einer Fourier-Transformation oder mit gleichzeitig eingelesenen phasenverschobenen Bildern.- According to DE 39 07 430 or DE 38 43 396 is only one contour line picture, the z. B. by a sensor mount or a Video image obtained is necessary. The sensor that from light reflected from the object or from its surface takes is a surface sensor, preferably a CCD sensor. He the light reflected from the object can be seen through a lens receive. Here too, the evaluations are preferably carried out according to the phase shift method, using a Fourier transform or with read in simultaneously out of phase images.

Zusätzlich kommen als Konturmeßverfahren alle Verfahren in Frage, bei denen die Kontur durch eine Bestimmung aus Schärfenebenen gewonnen wird, deren Normalen durch die optische Achse des Abbildungsobjektivs gebildet werden. Eine für diese Gruppe von Verfahren etablierte Vorgehensweise ist z. B. die konfokale Mikroskopie oder das sogenannte "image depuzzling" nach G. Häusler und E. Körner, "Expansion of depth of focus by image depuzzling", IEEE Proc./DAGM 6th International Conference of Pattern Recognition, München, 1982, Seite 1201-1202.In addition, all methods are used as contour measuring methods Question where the contour is characterized by a determination Levels of focus is obtained, the normals of which by optical axis of the imaging lens are formed. An established procedure for this group of procedures is z. B. confocal microscopy or the so-called "image depuzzling "after G. Häusler and E. Körner," Expansion of  depth of focus by image depuzzling ", IEEE Proc./DAGM 6th International Conference of Pattern Recognition, Munich, 1982, pages 1201-1202.

Zur Bestimmung der beiden in-plane Komponenten u und v des VVF auf der Objektoberfläche wird vorzugsweise ein auf einem Korrelationsverfahren beruhendes Verfahren wie die klassische oder die digitale Specklephotographie verwandt. Prinzipiell sind jedoch alle Verfahren geeignet, in denen sich die gewünschte in-plane Verformung aus den Kreuzkorrelations­ termen, welche physikalisch die Träger der Komponenten u und v sind, ergibt:To determine the two in-plane components u and v des VVF on the object surface is preferably one on one Correlation method based method like the classic one or related to digital speckle photography. In principle however, all methods are suitable in which the Desired in-plane deformation from the cross correlation terms which physically support the components u and v are:

  • - Das ESPI-Verfahren liefert die Kreuzkorrelationsterme durch Subtraktion der Interferenzbilder von verformtem und unverformten Zustand.- The ESPI method provides the cross correlation terms by subtracting the interference images from deformed and undeformed condition.
  • - Aus A.S.Voloshin et al., "Application of digital filter methods to pattern recognition", Applied Optics, 1992, Band 45, Seite 123-125, ist ein in-plane Rasterverfahren bekannt, welches aus der Verformung eines fest mit dem Objekt verbun­ denen Rasters die Bestimmung der Komponenten u und v erlaubt.- From A.S. Voloshin et al., "Application of digital filter methods to pattern recognition ", Applied Optics, 1992, volume 45, page 123-125, an in-plane raster process is known, which from the deformation of one firmly connected to the object which Raster allows the determination of the components u and v.

Für die Bestimmung der Korrelation werden geeignete Filter benötigt, wobei sowohl digitale Filter auf einem Rechner als auch entsprechende optische Elemente diese Aufgabe erfüllen können. Geeignete Korrelationsfilter hinsichtlich ihrer Anfälligkeit auf Dekorrelationseffekte bedingt durch Dehnun­ gen und Bildunschärfe sind:Suitable filters are used to determine the correlation needed, both digital filters on a computer as corresponding optical elements also perform this task can. Suitable correlation filters with regard to their Susceptibility to decorrelation effects due to stretching genes and image blur are:

  • - Der "Matched filter" liefert für kleine Dehnungen des Meßobjektes die besten Ergebnisse.- The "Matched filter" provides for small stretches of the The best results.
  • - Große Dehnungen, Beleuchtungsänderungen oder unscharfe Bilder verlangen die Verwendung spezieller Korrelationsfilter wie z. B. ACM-Filter ("Amplitude compensated matched") oder POF-Filter("Phase Only Filter").- Large stretches, lighting changes or blurred Images require the use of special correlation filters such as B. ACM filter ("amplitude compensated matched") or POF filter ("Phase Only Filter").

Das für Korrelationsverfahren erforderliche vorzugsweise statistische Grauwertmuster kann durch die Eigenfarbstruktur, durch Eigenschattenbildung oder durch eine Markierung der Objektoberfläche erfolgen. Unter Objektmarkierung wird hier die feste Verbindung von Oberflächenpunkten mit aufgebrachten Partikeln verstanden, die vorzugsweise anders farbig, reflek­ tierend oder unter UV-Beleuchtung fluoreszensierend sind. Ebenso kann ein bei kohärenter Beleuchtung durch die Ober­ flächenrauhigkeit entstehendes Specklemuster als mit der Oberfläche verknüpfte Grauwertmarkierung angesehen werden.Preferably that required for correlation methods statistical gray value patterns can be by forming its own shadow or by marking the Object surface. Under object marking here  the fixed connection of surface points with applied Particles understood, which are preferably different colored, reflective are fluorescent or fluorescent under UV lighting. Likewise, with coherent lighting by the waiter surface roughness resulting speckle pattern than with the Grayscale marking linked to the surface can be viewed.

Die Erfindung wird im folgenden weiter anhand von zwei Ausführungsbeispielen und einer Abbildung Fig. 1 näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung.The invention is explained in more detail below on the basis of two exemplary embodiments and an illustration in FIG. 1. Here, FIG. 1 shows a schematic representation of the device.

Die nachfolgend aufgeführten erfindungsgemäßen Vorrichtungen haben den Vorteil, daß sie sowohl apparativ als auch in Bezug auf Kalibrierung und Justierung besonders einfach aufzubauen sind. In allen Ausführungsbeispielen wird zur Erfassung der Kontur des Objekts die Triangulation verwendet, während die in-plane Verformung durch Korrelationsanalyse bestimmt wird.The devices according to the invention listed below have the advantage that they are both apparatus and related easy to set up on calibration and adjustment are. In all exemplary embodiments, the Contour of the object using the triangulation while the in-plane deformation is determined by correlation analysis.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Dieses Beispiel beschreibt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur gleichzeitigen Erfassung der Komponenten des VVF, die sich insbesondere zur Untersuchung dynamischer Verformungs­ vorgänge eignet.This example describes a device according to the invention for the simultaneous acquisition of the components of the VVF, the especially for the investigation of dynamic deformation operations.

Ein zu untersuchendes Objekt 2 ist fest mit einer Belastungs­ einrichtung 21 verbunden. Auf die Oberfläche des Objekts 2 wird zur Bestimmung der Koordinaten der Objektkontur unter Verwendung des Streifenprojektors 1, der für diese Art der Erfassung des VVF "in Echtzeit" nur aus den Komponenten Weißlicht- oder Laserquelle 11 und Gitter 12 besteht, unter einem Winkel ein Streifenmuster projiziert. Die Komponenten 13 und 14 des Streifenprojektors 1 dienen ausschließlich zur Erzeugung einer Phasenverschiebung, die in diesem Aus­ führungsbeispiel allerdings nicht benötigt wird. An object to be examined 2 is firmly connected to a loading device 21 . On the surface of the object 2 is for determining the coordinates of the object contour using the stripe projector 1 that exists for this kind of detection of the VVF "in real time" only of components white light or laser source 11 and grating 12, at an angle a stripe pattern projected. The components 13 and 14 of the strip projector 1 are used exclusively to generate a phase shift, which is not required in this exemplary embodiment.

Zur Erfassung der in-plane Komponenten des VVF wird das Objekt 2 vorzugsweise ebenfalls schräg von einer zweiten Weißlicht- oder Laserquelle 16 beleuchtet, um damit das für die Korrelationsanalyse erforderliche statistische Grauwert­ muster zu erzeugen. Dies geschiehtTo detect the in-plane components of the VVF, the object 2 is preferably also illuminated obliquely by a second white light or laser source 16 in order to generate the statistical gray value pattern required for the correlation analysis. this happens

  • - durch Eigenschattenbildung,- through the formation of shadows,
  • - durch auf dem Objekt 2 aufgebrachte im ultravioletten Spektralbereich fluoreszierende Partikel,by particles which are fluorescent in the ultraviolet spectral range and are applied to the object 2 ,
  • - bei Weißlicht durch eine auf dem Objekt 2 aufgeprägte Eigenfarbstruktur,- in the case of white light, through an intrinsic color structure embossed on object 2 ,
  • - bei Laserlicht durch die Ausbildung eines kohärenten Specklemusters auf der Objektoberfläche oder- with laser light by forming a coherent Speckle pattern on the object surface or
  • - durch eine Kombination der genannten Möglichkeiten.- by a combination of the options mentioned.

Das vom Objekt 2 reflektierte Licht gelangt auf die flächen­ haften, ortsauflösenden Sensoren 31 und 32, die aus einem Abbildungsobjektiv und vorzugsweise einem CCD-Kamera-Chip gebildet werden und sich in der Nachweiseinrichtung 3 befin­ den. Dabei unterscheiden sich die beiden Sensoren 31 und 32 durch ihre spektrale Empfindlichkeit dergestalt, daß Sensor 31 ausschließlich oder zumindest vorzugsweise für das auf dem Objekt 2 aufgeprägte Streifenmuster und Sensor 32 ausschließ­ lich oder zumindest vorzugsweise für das auf dem Objekt 2 aufgeprägte bzw. aufgebrachte statistische Grauwertmuster empfindlich ist.The light reflected by the object 2 reaches the area-sensitive, spatially resolving sensors 31 and 32 , which are formed from an imaging lens and preferably a CCD camera chip and are located in the detection device 3 . The two sensors 31 and 32 differ in their spectral sensitivity in such a way that sensor 31 exclusively or at least preferably for the stripe pattern imprinted on the object 2 and sensor 32 exclusively or at least preferably for the statistical gray scale pattern imprinted or applied on the object 2 is sensitive.

In einer besonderen Ausführungsform gibt genau eine der beiden Lichtquellen 11 oder 16 einen Anteil an ultravioletter Strahlung auf das Objekt 2, das zuvor mit einer im ultravio­ letten Spektralbereich fluoreszierenden Paste bestrichen wurde, ab. Unterscheiden sich die Empfindlichkeiten der beiden Sensoren 31 und 32 derart, daß beispielsweise Sensor 31 nur im sichtbaren und Sensor 32 nur im ultravioletten Spektral­ bereich eine nennenswerte Empfindlichkeit aufweist, so lassen sich die beiden gleichzeitig auf das Objekt aufgeprägten Muster leicht separieren. In a special embodiment, exactly one of the two light sources 11 or 16 emits a proportion of ultraviolet radiation onto the object 2 , which was previously coated with a paste that fluoresces in the ultraviolet spectral range. If the sensitivities of the two sensors 31 and 32 differ in such a way that, for example, sensor 31 only has a significant sensitivity in the visible and sensor 32 only in the ultraviolet spectral range, then the two patterns simultaneously imprinted on the object can be easily separated.

In einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels wird auf den Sensor 32 verzichtet und ausschließlich Sensor 31 verwendet. In diesem Fall erfolgt die erforderliche Separierung der Streifen- und Grauwertmuster, die jeweils gleichzeitig während der Zeitabschnitte t₁ und t₂ aufgenommen werden, über eine automatische Auswertung der Meßwerte auf einem dazu geeigneten Digitalrechner 4.In a modification of this exemplary embodiment, sensor 32 is dispensed with and only sensor 31 is used. In this case, the required separation of the stripe and grayscale patterns, which are recorded simultaneously during the time periods t 1 and t 2, takes place via an automatic evaluation of the measured values on a suitable digital computer 4 .

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2

Dieses Beispiel beschreibt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur zeitlich aufeinanderfolgenden Erfassung der Komponenten des VVF, wobei sich insbesondere durch die Anwendung eines Phasenshift-Verfahrens bei der Bestimmung der unverformten bzw. verformten Objektkontur die out-of-plane Komponente des VVF mit sehr hoher Genauigkeit bestimmen läßt.This example describes a device according to the invention for sequential acquisition of the components of the VVF, whereby the application of a Phase shift method in determining the undeformed or deformed object contour the out-of-plane component of the VVF can be determined with very high accuracy.

Dazu wird als Streifenprojektor 1 ein LCD-Projektor mit einstellbaren LCD-Gittermasken verwendet. Eine wesentlich einfachere und kostengünstigere Ausführung besteht darin, den Streifenprojektor 1 dergestalt aufzubauen, daß neben einer Weißlicht- oder Laserquelle 11 und einem Gitter 12 eine mechanische Vorrichtung zum Phasenschieben, die vorzugsweise aus einer sich im Strahlengang befindlichen mit einem Hebel versehenen planparallelen Glasplatte 14 und einem dazu erforderlichen Objektiv 13 besteht, derart verwendet wird, daß das vom Licht aus der Quelle 11 durchstrahlte Gitter 12 als Zwischenbild auf die Glasplatte 14 abgebildet wird.For this purpose, an LCD projector with adjustable LCD grid masks is used as the strip projector 1 . A much simpler and less expensive embodiment is to construct the strip projector 1 in such a way that, in addition to a white light or laser source 11 and a grating 12, a mechanical device for phase shifting, which preferably consists of a plane-parallel glass plate 14 provided with a lever in the beam path, and a lens 13 required for this purpose is used in such a way that the grating 12 irradiated by the light from the source 11 is imaged on the glass plate 14 as an intermediate image.

Die Erzeugung des statistischen Grauwertmusters zur Erfassung der in-plane Komponenten des VVF erfolgt wie beim Ausführungsbeispiel 1 beschrieben.The generation of the statistical gray scale pattern for acquisition the in-plane components of the VVF are the same as for the Embodiment 1 described.

Da in diesem Ausführungsbeispiel die Aufnahme der Objekt­ konturen und des Grauwertmusters auf der Objektoberfläche jeweils zeitlich versetzt erfolgen, kann auf die zweite Lichtquelle 16 und den zweiten Sensor 32 verzichtet werden.Since in this exemplary embodiment the recording of the object contours and the gray-scale pattern on the object surface take place at different times, the second light source 16 and the second sensor 32 can be dispensed with.

Claims (20)

1. Verfahren zur Erfassung aller drei räumlichen Komponenten u, v und w des Verschiebungsvektorfeldes (VVF) einer Objektoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verfahren zum Mustervergleich zur Erfassung der beiden Komponenten u und v des VVF kombiniert wird mit einem Verfahren zum Vergleich von Konturen des Objekts zur Erfassung der Komponenten w des VVF, wobei
  • - zuerst die Aufnahme sowohl eines Muster auf der Objektoberfläche als auch der Kontur desselben Objekts innerhalb eines Zeitabschnitts t₁ und
  • - zeitversetzt die Aufnahme sowohl eines Muster auf der Objektoberfläche als auch der Kontur desselben Objekts innerhalb eines vorzugsweise t₁ entsprechenden Zeit­ abschnitts t₂ erfolgt und
1. A method for detecting all three spatial components u, v and w of the displacement vector field (VVF) of an object surface, characterized in that a method for pattern comparison for detecting the two components u and v of the VVF is combined with a method for comparing contours of the Object to capture the components w of the VVF, where
  • - First, the recording of both a pattern on the object surface and the contour of the same object within a period of time t 1 and
  • - Delayed the recording of both a pattern on the object surface and the contour of the same object within a preferably t₁ corresponding time period t₂ and
dazu zeitgleich und/oder zeitversetzt ein Mustervergleich durchgeführt bzw. eine mögliche Änderung der Kontur des Objekts bestimmt wird.for this purpose a sample comparison at the same time and / or with a time delay carried out or a possible change in the contour of the Object is determined. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt zwischen den beiden Aufnahmeschritten durch eine geeignete Verformungseinrichtung verformt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the object between the two recording steps by a suitable deformation device is deformed. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß sich das Objekt zwischen den beiden Aufnahmeschritten selbsttätig verformt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the object is between the two recording steps automatically deformed. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb der beiden Zeitabschnitte t₁ und t₂ jeweils erfolgenden Aufnahmen des Musters auf der Objektoberfläche zeitgleich mit der Aufnahme der Kontur des Objekts erfolgt. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that within the two time periods t₁ and t₂ each taking pictures of the pattern on the Object surface at the same time as the contour of the Object.   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb der beiden Zeitabschnitte t₁ und t₂ jeweils erfolgenden Aufnahmen des Musters der Objektoberfläche den Aufnahmen der Kontur des Objekts zeitlich nachgeordnet ist, wobei dessen Erfassung vorzugsweise im Takt des Bilddetektors erfolgt.5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that within the two time periods t₁ and t₂ each taking pictures of the pattern Object surface to record the contour of the object is subordinated in time, whereby its recording preferably takes place in time with the image detector. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb der beiden Zeitabschnitte t₁ und t₂ jeweils erfolgenden Aufnahmen der Kontur des Objekts den Aufnahmen des Musters der Objektoberfläche zeitlich nachgeordnet ist, wobei dessen Erfassung vorzugsweise im Takt des Bilddetektors erfolgt.6. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that within the two time periods t₁ and t₂ each taking pictures of the contour of Object the recordings of the pattern of the object surface is subordinated in time, whereby its recording preferably takes place in time with the image detector. 7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich der beiden Muster auf der Objektoberfläche, die während der Zeitabschnitte t₁ und t₂ aufgenommen wurden, durch eine Kreuz- oder Autokorrelation durchgeführt wird, wobei das Muster selbst durch
  • - eine Eigenschattenbildung des Objekts,
  • - eine Eigenfarbstruktur der Objektoberfläche,
  • - eine geeignete aufgebrachte Markierung der Objekt­ oberfläche,
  • - die Oberflächenrauhigkeit bei während kohärenter Beleuchtung entstehendem Specklemuster oder
  • - eine Kombination aus diesen Verfahren entsteht.
7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the comparison of the two patterns on the object surface, which were recorded during the periods t₁ and t₂, is carried out by a cross or autocorrelation, the pattern itself by
  • - natural shadowing of the object,
  • - an intrinsic color structure of the object surface,
  • - a suitable applied marking of the object surface,
  • - the surface roughness in the case of a speckle pattern formed during coherent lighting or
  • - A combination of these processes is created.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster auf der Objektoberfläche durch bei ultravioletter Strahlung fluoreszierende Partikel erzeugt wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the Pattern on the surface of the object due to ultraviolet Radiation fluorescent particles is generated. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich der beiden Muster auf der Objektoberfläche, die während der Zeitabschnitte t₁ und t₂ aufgenommen wurden, durch Anwendung
  • - eines ESPI-Verfahrens und/oder
  • - eines Oberflächen-Moir´-Verfahrens erfolgt.
9. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the comparison of the two patterns on the object surface, which were recorded during the periods t₁ and t₂, by application
  • - an ESPI procedure and / or
  • - A surface moir process takes place.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur des Objekts durch
  • - ein Verfahren zur mechanische Abtastung,
  • - ein stereoskopisches Verfahren,
  • - ein Triangulationsverfahren, vorzugsweise ein optisches Projektionsrasterverfahren, insbesondere ein Streifen­ projektionsverfahren,
  • - ein Moir´-Verfahren,
  • - ein Tiefenschärfe-Verfahren, beispielsweise die konfokale Mokroskopie oder ein "image depuzzling"- Verfahren oder
  • - eine Kombination aus diesen Verfahren erfaßt wird.
10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the contour of the object by
  • a method of mechanical scanning,
  • - a stereoscopic procedure,
  • a triangulation method, preferably an optical projection raster method, in particular a strip projection method,
  • - a Moir´ process,
  • - a depth of field method, for example confocal microscopy or an "image depuzzling" method or
  • - A combination of these procedures is detected.
11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Koordinaten der Kontur des Objekts mit dem Phasenshift-Verfahren unter der Verwendung von mindestens drei phasenverschobenen Bildern erfolgt.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the determination of the coordinates the contour of the object using the phase shift method below using at least three out-of-phase images he follows. 12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Koordinaten der Kontur des Objekts mittels der Fourier-Auswertung erfolgt.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the determination of the coordinates the contour of the object is carried out using the Fourier evaluation. 13. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich der beiden Konturen des Objekts, die während der Zeitabschnitte t₁ und t₂ aufgenommen wurden, durch Differenzbildung erfolgt.13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the comparison of the two contours of the object, which during the time periods t 1 and t 2 were recorded by difference. 14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus
  • - mindestens einer Strahlungsquelle (1),
  • - einer Nachweiseinrichtung (3) mit mindestens einem Sensor (31), vorzugsweise einem ortsauflösenden flächenhaften Strahlungssensor, und
  • - einer Auswerteeinrichtung (4), vorzugsweise einem Digitalrechner,
14. An apparatus for performing the method according to claim 1, consisting of
  • - at least one radiation source ( 1 ),
  • - a detection device ( 3 ) with at least one sensor ( 31 ), preferably a spatially resolving areal radiation sensor, and
  • - an evaluation device ( 4 ), preferably a digital computer,
dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Strahlungsquelle (1) ausgesandte Strahlung am Objekt (2) dergestalt reflektiert wird, daß der sich in der Nachweiseinrichtung (3) befindliche Sensor (31) derartige Meßwerte aufnimmt, die in der Auswerte­ einrichtung (4)
  • - als Kontur der Oberfläche des Objekts (2) und/oder
  • - als ein für eine Korrelationsanalyse auf der Oberfläche des Objekts (2) aufgeprägtes geeignetes Muster interpretiert wird.
characterized in that the radiation emitted from the radiation source ( 1 ) is reflected on the object ( 2 ) in such a way that the sensor ( 31 ) located in the detection device ( 3 ) picks up such measured values that are in the evaluation device ( 4 )
  • - As a contour of the surface of the object ( 2 ) and / or
  • - Is interpreted as a suitable pattern imprinted on the surface of the object ( 2 ) for a correlation analysis.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zweite Strahlungsquelle (16) enthält, die vorzugsweise aus einem Laser besteht und unter einem Winkel bezüglich der Strahlungsquelle (1) auf das Objekt (2) derart einstrahlt, daß sich auf der Objektoberfläche ein kohärentes Specklemuster bildet.15. The apparatus according to claim 14, characterized in that it contains a second radiation source ( 16 ), which preferably consists of a laser and irradiates at an angle with respect to the radiation source ( 1 ) on the object ( 2 ) such that on the object surface forms a coherent speckle pattern. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweiseinrichtung (3) aus mindestens zwei Sensoren (31) und (32) besteht, die eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit besitzen.16. The device according to one of claims 14 or 15, characterized in that the detection device ( 3 ) consists of at least two sensors ( 31 ) and ( 32 ) which have a different spectral sensitivity. 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle (1) und dem Objekt (2) mindestens eine mit einem Hebel versehene planparallele Glasplatte (14) befindet, die derart kippbar ist, daß damit die Phase der Lichtwelle gezielt eingestellt werden kann.17. Device according to one of claims 14 to 16, characterized in that in the beam path between the radiation source ( 1 ) and the object ( 2 ) is at least one plane-parallel glass plate ( 14 ) provided with a lever, which can be tilted such that it the phase of the light wave can be set specifically. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Belastungseinrichtung (21) das Objekt (2) insbesondere zwischen den beiden Zeitabschnitten t₁ und t₂ verformt.18. Device according to one of claims 14 to 17, characterized in that a loading device ( 21 ) deforms the object ( 2 ) in particular between the two time periods t₁ and t₂.
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