DE19620419A1 - Optical contact free measurement of surface displacement - Google Patents

Optical contact free measurement of surface displacement

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Abstract

A process for non-contact and mark-free optical measurement of surface displacement is based on the speckle effect. A point on the surface of the test object (1) is illuminated by a laser (2) passing through an optic (3) and its image transmitted through an imaging optic (4) to sensor elements (5) arranged in a CCD matrix. The imaging optic is so positioned that it or the sensor elements detect only one or a very few speckles (6). If the surface is displaced the position of the speckles and consequently the absolute brightness or relative brightness at each sensor element changes. The amount the point sensor (7) must move accordingly is the measure for the displacement of the object point. This shift in the point sensor is determined by an analogue or digital processor (8) and process device (9). The technique is quick and accurate.

Description

In der Materialprüfung werden für viele Anwendungen mechanische Kennwerte über das statische und dynamische Dehnungsverhalten von Werkstoffen und Bauteilen benötigt. Dazu werden die Verschiebungen zwischen zwei in definiertem Abstand zueinander befindlichen Oberflächenpunkten mit mechanischen oder optischen Aufnehmern gemessen.Mechanical properties are used for many applications in material testing the static and dynamic expansion behavior of materials and components needed. To do this, the shifts between two at a defined distance surface points to each other with mechanical or optical Sensors measured.

Die derzeit zur Verfügung stehenden Meßaufnehmer lassen sich technologisch in zwei Gruppen aufteilen:The sensors currently available can be technologically divided into two Split groups:

  • 1. Punktaufnehmer, die die Bewegung an nur einem oder wenigen Objektpunkten registrieren;1. Point transducers that measure the movement at only one or a few object points to register;
  • 2. Flächenaufnehmer, die die Bewegung auf einer kompletten Fläche erfassen.2. Area sensors that record the movement over a complete area.

Eine für die automatische Prüfung und speziell für empfindliche Werkstoffe geforderte Prüfaufgabe ist die berührungslose Messung ohne das vorherige Aufbringen von Markierungen auf der Probenoberfläche.One required for automatic testing and especially for sensitive materials The test task is the contactless measurement without the previous application of Markings on the sample surface.

Die klassischen Punktsensoren messen mechanisch mittels Ansetzaufnehmern oder optisch durch Verfolgung von auf dem Objekt aufgebrachten Meßmarkierungen. The classic point sensors measure mechanically using clip-on sensors or optically by tracking measurement markings applied to the object.  

Neuere Entwicklungen erlauben die flächenhafte, berührungslose und markierungsfreie Messung mittels Speckle-Interferometrie oder mittels Speckle-Korrelationstechniken. Diese Verfahren haben jeweils gemeinsam, daß sie aufgrund der sehr hohen zu verarbeitenden Datenmengen und der Datenerfassung mit Videotechnik relativ langsam sind. Für dynamische Messungen und zur Maschinenregelung können diese Verfahren daher nicht herangezogen werden.Recent developments allow the areal, contactless and Label-free measurement using speckle interferometry or Speckle correlation techniques. These methods have in common that they are due the very high amounts of data to be processed and data acquisition Video technology is relatively slow. For dynamic measurements and for These procedures cannot therefore be used for machine control.

Ziel dieser Erfindung ist es, die berührungslose und markierungsfreie Messung von Verschiebungen nur weniger Punkte mit großer Geschwindigkeit zu ermöglichen.The aim of this invention is the non-contact and marking-free measurement of Allow only few points to move at high speed.

Bei der Speckle-Korrelationstechnik wird eine Fläche mit Laserlicht beleuchtet und das Bild der Oberfläche mit einer Videokamera aufgenommen. Bei einer Bewegung der Probe verändert sich das Specklemuster. Durch den Vergleich der in beiden Zuständen aufgenommenen Specklemuster und Korrelationsrechnungen kann die Bewegung der Probenoberfläche an jedem Punkt ermittelt werden. Dieser Rechenvorgang ist sehr zeitaufwendig. Um eine ausreichend großen Meßbereich und hohe Empfindlichkeit zu erzielen, muß die Anzahl der aufgenommen Bildpunkte möglichst groß sein, so daß eine signifikante Geschwindigkeitssteigerung unmöglich ist.With the speckle correlation technique, a surface is illuminated with laser light and that Image of the surface taken with a video camera. With a movement of the The speckle pattern changes. By comparing the two The states of recorded speckle patterns and correlation calculations can Movement of the sample surface can be determined at every point. This Calculation process is very time consuming. To a sufficiently large measuring range and To achieve high sensitivity, the number of recorded pixels must be be as large as possible so that a significant increase in speed is impossible is.

Der Lösungsvorschlag basiert auf dem Speckle-Effekt. Die Oberfläche des Prüflings (1) wird von einem Laser (2) und einer Optik (3) mit Laserlicht beleuchtet und mittels einer Abbildungsoptik (4) auf einem oder mehreren lichtempfindlichen Sensorelementen (5) abgebildet. Im Gegensatz zu den o.g. flächenhaften Meßverfahren Verfahren wird allerdings lediglich ein kleiner Oberflächenbereich betrachtet. Dies bewirkt, daß sich das Specklemuster bei einer Dehnung des Bauteils kaum ändert, sondern im wesentlichen nur mit der Probenoberfläche verschoben wird. Die Abbildungsoptik (4) wird so eingestellt, daß der oder die Sensorelemente (5) möglichst nur einen oder wenige Speckles (6) erfassen. Verschiebt sich die Oberfläche (1), so verschiebt sich mit ihr die Position des Speckles (6) und die Helligkeit an jedem Sensorelement (5) ändert sich. Wenn Laserbeleuchtung, Abbildungsoptik und Sensorelement (im folgenden als Punktsensor (7) bezeichnet) um den gleichen Betrag mitbewegt werden, ändert sich die Helligkeit an jedem Sensorelement nicht oder nur unwesentlich (so lange, bis sich durch lokale Dehnungen das Specklemuster ändert). Der Betrag, um den der Punktsensor bewegt werden muß ist das Maß für die Verschiebung des betrachteten Objektpunktes.The proposed solution is based on the speckle effect. The surface of the test specimen ( 1 ) is illuminated with laser light by a laser ( 2 ) and optics ( 3 ) and imaged on one or more light-sensitive sensor elements ( 5 ) by means of imaging optics ( 4 ). In contrast to the two-dimensional measurement methods mentioned above, only a small surface area is considered. This has the effect that the speckle pattern hardly changes when the component is stretched, but is essentially only shifted with the sample surface. The imaging optics ( 4 ) are set so that the sensor element (s) ( 5 ) detect only one or a few speckles ( 6 ) if possible. If the surface ( 1 ) shifts, it moves the position of the speckle ( 6 ) and the brightness of each sensor element ( 5 ) changes. If the laser lighting, imaging optics and sensor element (hereinafter referred to as point sensor ( 7 )) are moved by the same amount, the brightness on each sensor element does not change or changes only insignificantly (until the speckle pattern changes due to local expansion). The amount by which the point sensor has to be moved is the measure for the displacement of the object point under consideration.

Die Verschiebevorrichtung des Punktsensors wird somit mittels eines (analogen oder digitalen) Prozessors (8) und einer Verfahreinrichtung (9) immer so geregelt, daß die Sensorelemente möglichst konstante Helligkeitswerte bzw. konstante Helligkeitsdifferenzen zwischen den Elementen aufweisen. The displacement device of the point sensor is thus always controlled by means of an (analog or digital) processor ( 8 ) and a displacement device ( 9 ) in such a way that the sensor elements have constant brightness values or constant brightness differences between the elements.

Im beschriebenen Verfahren wird daher im Gegensatz zur den Specklekorrelationsverfahren nicht die Bewegung der Speckle auf einer Sensormatrix ermittelt, sondern ein Speckle durch mechanisches Nachführen festgehalten. Da nun nur noch ein oder wenige Sensorelemente eingesetzt werden müssen und die Auswertung sowohl digital als auch analog durchgeführt werden kann, kann die Messung wesentlich schneller als die bekannten Verfahren erfolgen und auch für die Maschinenregelung eingesetzt werden.In the described method, therefore, in contrast to the Speckle correlation method does not involve moving the speckle on a sensor matrix determined, but held a speckle by mechanical tracking. Because now only one or a few sensor elements have to be used and the The evaluation can be carried out both digitally and analog Measurement take place much faster than the known methods and also for the Machine control can be used.

Falls nur ein Sensorelement eingesetzt wird, kann aus der Helligkeitsänderung nicht die Richtung der Verschiebung erkannt werden. Daher muß in diesem Fall der Punktsensor um das Optimum oszillieren, um auf diese Weise die Speckleposition nicht zu verlieren.If only one sensor element is used, the change in brightness cannot the direction of the shift can be detected. Therefore in this case the Point sensor oscillate around the optimum to achieve the speckle position not to lose.

Claims (18)

1. Verfahren zur berührungslosen und markierungsfreien Messung von Oberflächen-Verschiebungen,
bei dem die zu messende Oberfläche mit einem Laserlichtbündel beleuchtet wird,
das Bild eines beleuchteten Punktes mittels einer geeigneten Optik auf einen oder mehrere Sensorelemente abgebildet wird, wobei
die Lichtintensität der einzelnen Sensorelemente registriert wird und bei einer Veränderung der Absoluthelligkeit des Einzelsensorelements oder der Absoluthelligkeiten der Sensorelemente oder der relativen Helligkeitsdifferenzen zwischen den einzelnen Sensorelementen Laserbeleuchtung und Sensorelement(e) so mechanisch verfahren werden, daß die Ausgangshelligkeitswerte oder -differenzen wieder erreicht werden,
wobei der mechanische Verfahrweg von Laserbeleuchtung und Sensorelement(en) ein Maß für die Verschiebung des beobachteten Oberflächenpunktes ist. 1. method for non-contact and marking-free measurement of surface displacements,
in which the surface to be measured is illuminated with a laser light beam,
the image of an illuminated point is imaged on one or more sensor elements by means of suitable optics, wherein
the light intensity of the individual sensor elements is registered and when the absolute brightness of the individual sensor element or the absolute brightness of the sensor elements or the relative brightness differences between the individual sensor elements laser illumination and sensor element (s) change, the mechanical movement is such that the initial brightness values or differences are reached again,
the mechanical travel path of laser lighting and sensor element (s) being a measure of the displacement of the observed surface point. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Laser beleuchtete Fläche sehr klein ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the laser illuminated area is very small. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die, Sensorelemente in einer CCD-Zeile oder in einer CCD-Matrix angeordnet sind.3. The method according to claim 1, characterized in that the, sensor elements in a CCD line or in a CCD matrix. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorelement ein Analogsensor verwendet wird.4. The method according to claim 1, characterized in that as a sensor element Analog sensor is used. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Verschiebung des Sensors das Vorzeichen der Helligkeitsänderung zwischen den einzelnen Sensorelementen verwendet wird.5. The method according to claim 1, characterized in that for determining the Shifting the sensor the sign of the change in brightness between the individual sensor elements is used. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachfahren des Sensors durch ein piezoelektrisches Element, einen Schrittmotorantrieb oder einen anderen elektrischen Antrieb erfolgt.6. The method according to claim 1, characterized in that the tracing of the Sensor by a piezoelectric element, a stepper motor drive or other electric drive. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Laserquelle eine Laserdiode verwendet wird7. The method according to claim 1, characterized in that a laser source Laser diode is used 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor gleichzeitig in zwei oder drei Raumachsen verschoben wird kann und die Bestimmung des 2- oder 3-achsigen Verschiebevektors erlaubt.8. The method according to claim 1, characterized in that the sensor simultaneously can be moved in two or three spatial axes and the determination of the 2- or 3-axis displacement vector allowed. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ausbildung der Abbildungsoptik die Speckleform so eingestellt wird, daß sie in einer Vorzugsrichtung kleiner sind als in den anderen Raumrichtungen.9. The method according to claim 1, characterized in that by training the imaging optics the speckle shape is set so that it is in a Preferred direction are smaller than in the other spatial directions. 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbeleuchtungs- und Abbildungsoptik so eingestellt werden kann, daß ein Speckle optimal von den Sensorelementen erfaßt wird.10. The method according to claim 1, characterized in that the laser lighting and Imaging optics can be set so that a speckle optimally from the Sensor elements is detected. 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich ein Sensorelement verwendet wird.11. The method according to claim 1, characterized in that only one Sensor element is used. 12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfolgung des Speckles durch schnelles oszillieren des Sensors um den Optimalpunkt erreicht wird.12. The method according to claim 8, characterized in that the tracking of Speckles achieved by quickly oscillating the sensor around the optimal point becomes. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren des Sensors durch ein mehrstufiges System erfolgt, wobei mindestens eines zur Oszillation, mindestens ein anderes zum Nachführen dient. 13. The method according to claim 12, characterized in that the method of Sensor takes place through a multi-stage system, at least one for Oscillation, at least one other is used for tracking.   14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Punktsensoren an mehreren Punkten angeordnet werden und aus den Relativ-Verschiebungen zwischen den einzelnen Punkten Dehnungen ermittelt werden.14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that two or more point sensors are arranged at several points and from the Relative displacements between the individual strains are determined will. 15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Laser mit Kollimatoroptik, einem oder mehreren lichtempfindlichen Sensoren mit Abbildungsoptik, einem Prozessor und einer Nachführvorrichtung, wobei die Nachführvorrichtung mit den lichtempfindlichen Sensorelementen und dem Prozessor einen Regelkreis bilden, der zu konstanten Helligkeitsverteilungen bzw. Helligkeitsdifferenzen auf den Sensoren führt und wobei die Nachführgröße als Maß für die Oberflächenverschiebung verwendet wird.15. An apparatus for performing the method according to claim 1, consisting of a laser with collimator optics, one or more light-sensitive sensors with imaging optics, a processor and a tracking device, the Tracking device with the light-sensitive sensor elements and Processor form a control loop that leads to constant brightness distributions or Differences in brightness on the sensors and the tracking variable as Measure for the surface shift is used. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den lichtempfindlichen Sensoren um eine CCD-Zeile oder -Matrix handelt.16. The apparatus according to claim 15, characterized in that it is in the photosensitive sensors is a CCD line or matrix. 17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Punktsensor durch die Nachführvorrichtung in zwei oder mehr Raumachsen verschoben werden kann.17. The apparatus according to claim 15, characterized in that the point sensor are moved by the tracking device in two or more spatial axes can. 18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführvorrichtung aus mehr als einem Verfahrelement besteht, wobei eines die größeren Gesamtwegamplituden durchführt und mindestens ein weiteres Element kleinere Weg-Oszillationen durchführt.18. The apparatus according to claim 15, characterized in that the Tracking device consists of more than one moving element, one of which performs larger overall path amplitudes and at least one further element performs smaller path oscillations.
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