DE2919863C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung und Darstellung der Gestalt bzw.der Gestaltsänderung der Oberfläche von Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung der in den Ansprüchen I bzw. 4 angegebenen Art. Das Verfahren und die Vorrichtung sollen eine Darstellung der Oberflächengestalt oder des Verformungszustandes eines Objektes in Form von Linien gleicher Höhe über eine Bezugsebene oder Linien gleicher Verschiebung gegenüber einem Bezugszustand liefern. Es läßt sich insbesondere zur Kontrolle der Lage und der Verformung eines Modells in einem Windkanal einsetzen. Bei Messungen mit Modellen im Windkanal werden nämlich unter Einfluß der äußeren Belastungen die Lage und die geometrische Form des Modells elastisch verändert. Die Kenntnis dieser Veränderungen ist wesentlich für eine zuverlässige Zuordnung und Interpretation der Meßergebnisse.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art sind bereits aus APPLIED OPTICS VOL 10, Nr. 12, Dezember 1971, Seiten 2734 bis 2738, insbesondere Seiten 2734 und 2735 bekannt. Dabei wird mittels eines Projektors eine ein Gitter aus quasi-unendlicher, also großer, Entfernung auf das Objekt projiziert. Aus abweichender Richtung wird eine fotografische Aufnahme der Abbildung des Gitters auf dem Objekt gemacht. Unter Verwendung eines Vergleichsobjektes, welches hier ein zweites Objekt sein kann, wird eine analoge Aufnahme gemacht. Beide Aufnahmen werden überlagert. Unter Ausnutzung des Moiree-Effektes kann man feststellen, ob eines der Objekte eine Formabweichung gegenüber dem anderen aufweist. Es ist lediglich ausgeführt, daß die Projektion de- Gitters aus sehr großer Entfernung stattfinden soll. Eine

ίο Zuordnung zwischen dem dabei benutzten Projektor und der Kamera ist nicht ersichtlich. Dieses bekannte Verfahren besitzt verschiedene Nachteile. Bei sehr großen Objekten sind große Optiken des Projektors erforderlich. Befindet sich das zu untersuchende Objekt innerhalb eines Gehäuses, also beispielsweise innerhalb eines Windkanals, so sind große Öffnungen in der Wandung des Windkanals erforderlich, um das Bild des Gitters von außen aus großer Entfernung auf das Objekt im Innern des Windkanals werfen zu können. Es findet auch ein großer Abstand des Beobachters bzw. der Kamera Anwendung, was wegen der Parallelität der Strahlengänge erforderlich ist Wenn diese Bedingungen der Parallelität und der großen Entfernungen, die an einer Vorrichtung nachteilig sind, nicht eingehalten werden, entstehen bei der Erfassung und Darstellung größere Fehler.

Es ist ein weiteres Verfahren zur Erfassung und Darstellung der Gestalt eines Objektes aus APPLIED OPTICS VOL 9, Nr. 4, April 1970, Seiten 942 bis 947, insbesondere Seita 946, bekannt, welches jedoch gattungsmäßig abweicht, weil hier ein Rasterbild auf die Oberfläche des Objekts durch Schattenwurf eines unmittelbar vor der Oberfläche erzeugten Rasters benutzt wird. Das den Schattenwurf erzeugende Raster dient dabei gleichzeitig als Bezugsraster. Das erzeugende Raster muß hierbei in unmittelbarer Nähe des Objekts angeordnet sein und die gleiche Größe wie das Objekt haben, weil dieses Schattenwurfverfahren wegen Beugung sinnvollerweise eine.) möglichst geringen Abstand des Rastermodells von dem Objekt erfordert. Hierdurch werden aber die Versuchsbedingungen unter Umständen erheblich oder sogar unzumutbar beeinträchtigt. Darüber hinaus kann das Bezugsraster nicht frei wählbar sein; es muß vernünftigerweise eben ausgebildet sein. Damit aber ist dieses Verfahren ungeeignet. Gestaltsänderungen festzuhalten.

Aus der Zeitschrift EXPERIMENTAL MECHANICS, Mai 1968, Seiten 225 bis 227 »Visualization of Nodes and Antinodes in Vibrating Plates« ist auf S. 226, Fig. I eine Anordnung zum Messen von Verschiebungen bekannt, welches im wesentlichen dem zuvor genannten Stand der Technik entspricht. Auf S. 226, Fig. 2 ist eine Anordnung zur Messung von Neigungen — nicht von Verschiebungen — dargestellt. Es wird hier zwar ein Gitter projiziert bzw. abgebildet, aber nicht auf ein nichtspiegelndes Objekt, sondern über die spiegelnde Oberfläche des Objekts auf eine Fotoschicht. Dabei entscheidet die örtliche Neigung an jedem Ort des reflektierenden Objekts, ob ein Punkt des Gitters bezüglich dieses Ortes auf der Fotoschicht abgebildet wird oder nicht: Linien gleichen Neigungswinkels der Objektoberfläche erscheinen auf der Fotoschicht als verzerrte Abbildungen der Linien des Gitters. Wichtig

ist es zu erkennen, daß hier keine Überlagerung unter Ausnutzung des Moir6e-Effektes durchgeführt wird. Im übrigen benutzen auch beide Anordnungen im Bereich des untersuchten Objekts parallelen Lichteinfall und

benötigen daher Optiken mit einem Durchmesser von der Größe des untersuchten Objekts bzw. Objektteiles. Aus Föppel-Mönch »Praktische Spannungsoptik« (1972) 3. Auflage, Springer-Verlag, Seiten 151-154, ist die Anwendung der Moiree-Technik in der Spanungsoptik bekannt, Voraussetzung hierfür ist die Anfertigung eines Modells bzw. Objekts aus lichtdurchlässigem Material mit geringer Spannungsdoppelbrechung. Dabei geht es darum, durch Interferometrie ein Bild der Isopachen, also der Linien gleicher Dickenänderung zu erhalten. Dabei werden bekannte Interferometer benutzt, die mit Licht von hoher monochromatischer Reinheit arbeiten. Ein körperlich vorhandenes Gitter wird dabei nicht eingesetzt. Das Isopachenbild erhält man dadurch, daß man die am Modell entstehenden Interferenzlinien des verformten und des unverformten Modells aufnimmt und beide übereinander kopien.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß die Gestalt und/oder die Gestaltsänderung der Oberfläche von Objekten erfaßt werden kann und bei dem alle Teile der Vorrichtung in geeigneter Entfernung von: Objekt angeordnet werden können, so daß weder der Versuchsaufbau mit dem Objekt negativ beeinflußt wird noch die dabei eingesetzte Vorrichtung den Versuchsbedingungen in der Meßstrecke ausgesetzt ist. Weiterhin muß es möglich sein, mit dem Verfahren auch Objekte innerhalb von Gehäusen zu beobachten, wobei die Unterbrechung des Gehäuses nur relativ klein ausgebildet sein soll.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Die Erfindung wendet sich damit grundsätzlich weg von einer Projektion aus dem Unendlichen. Es ist also nicht mehr erforderlich, ausschließlich paralleles Licht zu verwenden. Die Normalentfernung, also die senkrechte Entfernung von der Bezugsebene des Bezugsobjekts, kann in vernünftigen Größenordnungen gewählt werden, wobei lediglich darauf zu acnten ist, daß diese Normalentfernung des Projektors und der Normalabstand, also der senkrechte Abstand der Kamera von der Bezugsebene gleich sein müssen. Damit entfällt gleichzeitig die Notwendigkeit der Verwendung von Optiken großen Durchmessers bei der Erfassung der Gestalt großer Objekte. Es tritt vielmehr der Vorteil ein, daß Optiken und Beobachtungsfenster in ihrer Größe von der Größe des zu untersuchenden Objekts unabhängig werden. Wird trotzdem paralleles Licht verwendet, so muß selbstverständlich die Optik und das Beobachtungsfenster mindestens die Größe des Objekts aufweisen, sofern man das Objekt nicht in einzelnen Teilen nacheinander untersuchen und darstellen will. Da die Verwendung von parallelem Licht keine Voraussetzung ist, ist es möglich, auch Meßstrecken mit Objekten in Gehäusen, beispielsweise einen in einem Windkanal aufgehängten Flugkörper, ohne weiteres durch das Gehäuse hindurch mit zwei dort angebrachten relativ kleinen Öffnungen zu beobachten. Da jeweils zwei Fotos zur Überlagerung gebracht werden, können diese Fotos frei gewählt werden, d. h. es kann sowohl die Gestalt eines Objekts als auch die Gestaltsänderung eines Objekts infolge Belastung oder andersartiger Einwirkung aufgezeichnet werden.

Es ergibt sich der weitere Vorteil, daß alle erforderlichen Hilfseinrichtungen in einer Entfernung vom Objekt angeordnet werden können, so daß die unmittelbare Nachbarschaft des Objektes nicht erreicht werden muß, d, h. nicht beeinträchtigt oder gestört wird. Dies ist insbesondere dann von Wichtigkeit, wem beispielsweise Modelle im Windkanal unter Strömungsbedingungen trotzdem beobachtet und mit dem Verfahren erfaßt werden müssen, wobei es ja nicht möglich ist, mit dem Gitter und dem Objektiv in die Strömung hineinzugehen. Bei dem üblichen Schatten-Moiree-Verfahren ist es unumgänglich, in die unmittelbare Nachbarschaft des Objekts zu gehen. Geht man mit

ίο dem den Schatten werfenden Gitter zu weit vom Objekt weg, dann entsteht eine Unscharfe durch Beugungserscheinungen.

Bei dem erfindungsgemäßen Ver ahren tritt der weitere Vorteil auf, daß keine besonderen Anforderungen an das Material oder die Oberfläche des Objekts gestellt werden, mit der Ausnahme daß diese Oberfläche hell, also sichtbar, sein muß.

Sofern das Vergleichsobjekt eine Vergleichsebene ist, können mit dem Verfahren Höhenschichtlinien unter Ausnutzung des Moiree-Effektes aufgezeichnet werden. Ein weiterer aligemeiner Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß alle Punkte des Objekts simultan erfaßt werden; das Verfahren ist also auch für die Erfassung zeitlich veränderlicher Verschiebungszustände geeignet.

Zur Erhöhung des Auslösungsvermögens können bei der Projektion und bei den Fotos Objektive größerer Brennweite und/oder ein kleiner Linienabstand des Gitters Verwendung finden. Zur Erhönung des Auflösungsvermögens ist es auch möglich, das Verhältnis der Basis zwischen Projektor und Kamera relativ zu der Normalentfernung bzw. dem Normalabstand möglichst groß zu wählen, damit die seitlichen Verschiebungen möglichst groß werden. Zur Erhöhung der Genauigkeitkönnen die Achsen der Objektive von Projektor und Kamera normal zum Objekt bzw. Vergleichsobjekt ausgerichtet werden, also senkrecht zu der Objektebene, obwohl die Projektion und die Aufnahme in verschiedenen Richtungen schräg erfolgen.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens arbeitet mit einem Projektor und einer Kamera eine Geräteeinheit bilden. Dies erleichtert die Handhabung ganz wesentlich. Außerdem werden durch die Zusammenfassung in einer Geräteeinheit (ustieraufgaben minimiert bzw. vereinfacht. Die Vorrichtung kann in einiger Entfernung vom Objekt, z. B. außerhalb der Meßstrecke und außerhalb der dort herrschenden Bedingungen, angeordnet werden. Die nähere Umgebung des Objekts braucht nicht unbedingt zugänglich zu sein. Bei extremen Versuchsbedingungen, z. B. bei tiefen Temperaturen, muß die Vorrichtung nicht diesen Bedingungen ausgesetzt sein. Bei der Auswertung von S'röruiigseinflüssen am Objekt bzw. an der Meßstrecke werden die Einwirkungen einer Strömung durch die Vorrichtung selbst nicht verfälscht bzw. nicht überlagert. Es tritt auch keine zwangsläufige Verringerung des Auflösungsvermögens durch Verkleinerung des Unterschiedes der Richtungswinkel zwischen Projektion und Aumahme ein. Vielmehr läßt sich die aus den beiden Teilen bestehende Vorrichtung mit festgelegter Basis einfach handhaben und anwenden. Die Basis zwischen Projektor und Kamera kann auch verstellbar sein, wobei auch die Richtungswinkel der beiden Achsen der Objektive des Projektors und der Kamera veränderbar ausgebildet sein können. Die Achsen der Objektive des Projektors und der Kamera können darüberhinaus schwenkbar angeordnet sein, um den Überdeckuneswinkel einzustellen.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische !Darstellung der Vorrichtung,

F i g. 2 die schematisierte Darstellung der Wirkungsweise der Vorrichtung.

F i g. 3 die Aufnahme bzw. das Bild des Gitters in der Bezugsebene.

F i g. 4 die Aufnahme bzw. das Bild des Gitters auf dem Objekt,

F i g. 5 die Überlagerung der Bilder der F i g. 3 und 4, nämlich die Höhenschichtlinien im Bild des Objekts.

F i g. 6 die Höhenschichtlinien an einem belasteten Objekt und

Fig. 7 die Überlagerung der Fig. 5 und 6 als Linien gleicher Verformung.

Gemäß den F i g. 1 und 2 ist eine Bezugsebene 1 vorgesehen, in die mit Hilfe eines Projektors 2 d;is Bild 4 eines Gitters 3 geworfen wird. Der Projektor 2 besitzt eine Lichtquelle 5 und ein Objektiv 6, welches normal zu der "czügscbcnc ! ausgeruhte! angeordnet ·.',',, ;;!',:: schräg zu der Projektionsachse 7. Das Objektiv 6 hat eine Normalentfernung 8 von der ESezugsebenc I. Das Objektiv 9 einer Kamera 10 besitzt ebenfalls einen Normalabstand 11 von der Beüugsebenc I. Die Normalentfernung 8 und der Norrnalabstand 11 sind gleich. Die Entfernung zwischen den beiden Objektiven 6 und 9 ist die Basis 12. Auch das Objektiv 9 ist normal zu der Bezupsebene 1 ausgerichtet angeordnet, also schräg zu der Achse 13 des Strahlengangs. Das Objektiv 9 bildet das Bild 4 des Gitters 3 in der Bildebene 14 als Foto 15 ab.

Mittels des Objektivs 6 wird also in der Bezugsebene 1 ein Bild 4 des Gitters 3 erzeugt. Die einzelnen Linien des Bildes 4 dieses Gitters seien parallel und äquidis'.ant. In der Normalentfernung 8 des Objektivs 6 ist auch entsprechend in dem Normalabstand ti das Objektiv 9 der Kamera 10 angeordnet. Dieses Objektiv 9 bildet das Bild 4 des Gitters 3 in der Bezugsbene 1 auf der Bildebene 14 als Foto 15 ab. Die Linien des Bildes 4 verlaufen senkrecht zu der Verbindungslinie der beiden Objektive 6. 9, also zu der Basis 12.

Trifft nun gemäß F i g. 2 ein Projektionsstrahl durch das Objektiv 6 bereits vor der Bezügsebene 1 auf ein Oberflächenelement 16 eines etwa in der Bezugsebene 1 angeordneten Objektes, dann erscheint die hier entworfene Rasterlinie in der Bezugsebene I seitlich versetzt. Der dem Bild in der Bezugsebene 1 entsprechende scheinbare Ursprung ist gegenüber der Position von dem Durchstoßpunkt 17 der Achse 7 in der Bezugsebene 1 um den Betrag 18 seitlich verschoben. Die Verschiebung um den Betrag 18 ist dabei in erster Näherung nur dem Abstand 19 des Oberflächenelements 16 von der Bezugsebene 1 proportional, und zwar unabhängig von der Position in der Bezugsebene 1. Wegen der Ähnlichkeit der von den Projektionsstrahlen gebildeten Dreiecke gilt die Beziehung

18 : 19 = 12 :(8-19).
Für relativ kleine Abstände (19 < 8) bedeutet dies

18

■>-t-

Über ein Oberflachenelement 16 entsteht also in der Bezugsebene 1 ein verzerrtes Bild des Gitters 3. Oberlagert man dieses Bild dem Bild 4 des Gitters 3 gemäß Fig. i in der Bezugsebene i. so entsteht ein System von Interferen/.linien. |ede dieser Linien verbindet Punkte mit konstanter Verbindung 18, die jeweils einem ganzzahligen Vielfachen des Abstandes der Gitterstriche entspricht. Fs handelt sich also um Höhenlinien gegenüber der Be/ugsebene 1. Der Schichtabstand dieser Höhenlinien ist

/119 « Rasterabsland

Überlagert man das Rasterlinienbild von einer das Oberflächenelement 16 einschließenden Oberfläche nicht mit dem einer Bezugsebene 1. sondern mit dem einer durch Verformung des Objekts entstandenen Oberfläche, so erhält man ein Intcrfrequenzbild mit Linien gleicher Verformung. Der Schichtlinienabsiand ist auch hier wieder

A 19 = Rasterabstand

12

12

Δ 19

Rasterabstand

Für hohe Empfindlichkeit muß demnach die Basis 12 möglichst groß sein im Verhältnis zum Normalabstand 11 bzw. zur Normalentfernung 8. Praktisch wird das Verfiältnis 12:8 begrenzt durch den öffnungswinkel der >■.'wendeten Objektive 6 und 9. Es müssen also Weitwinkelobjektive verwendet werden. Für hohe Empfindlichkeit sollte außerdem die Rasterdichte hoch sein. Sie wird begrenzt durch cMs Auflösungsvermögen in der Bildebene 14. d.h. auch durch den Abbildungsmaßstab. Es sollten also Objektive nicht zu kurzer Brennweite verwendet werden.

Das durch die Projektion in die Bezugsebene 1 entworfene Bild 4 des Gitters 3 muß parallel und äquidistant sein. Unvermeidliche Verzeichnungen durch

ίο das Objektiv 6 können ggf. bedeutungslos gemacht werden, indem man das projizierte »Original« durch ein Foto eines in der Bezugsebene 1 angeordneten »Idealrasters« erzeugt.

Die F i g. 3 bis 7 zeigen eingige Fotos, auf denen die Gestalt bzw. die Gestaltsänderung entnehmbar ist. Es versteht sich, das an Stelle eines Fotos mit einem lichtempfindlichen Film auch eine Fernsehkamera und eine nachgeschaltete Auswerteeinheit Anwendung finden kann. Bei den Fig. 3 bis 7 diente als Objekt ein

so Flugzeugmodell mit 18 cm Spannweite. Die übrigen Daten des Versuchsaufbaus waren:

Normalentfernung bzw.	= 500 mm
Normalabstand 8, 11
Basis zwischen den	= 250 mm
Objektiven 6 und 9	= 0,75 mm
Rasterlinienabstand	= 1.5 mm
Schichtdicke Δ 19

Die Empfindlichkeit des Versuchsaufbaus, d. h. die Dichte der weißen Moiree-LJnien. war durch Verwendung eines groben Rasters bewußt gering gehalten worden, um die erzeugenden Rasterlinien in den Bildern deutlich erkennbar bleiben zu lassen.

Alle Überlagerungen wurden für die entsprechenden Figuren durch Doppelbelichtung auf demselben Film erzeugt. Andere Anwendungsmöglichkeiten sind denk-

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

b) Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erfassung und Darstellung der Gestalt bzw. der Gestaltsänderung der Oberfläche von Objekten, bei dem ein Gitter (3) auf das Objekt projiziert und das Bild des Gitters auf dem Objekt aus einer von der Projektionsrichtung abweichenden Richtung fotografiert wird und wobei dieses Foto mit einem auf analoge Weise erzeugten Foto eines Vergleichsobjekts unter Ausnutzung des Moiree-Effektes überlagert wird, wobei das Gitter auf das Objekt und zeitlich versetzt auf das Vergleichsobjekt projiziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Gitter (3) aus einer vorgebbaren Normalentfernung (8) auf das Objekt bzw. Vergleichsobjekt projiziert wird und
die beiden Fotos aus einem dieser Normalentferrang (8) der Projektion gleichen Normalabstand (II) von dem Objekt bzw. Vergleichsobjekt aufgenommen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Auflösungsvermögens das Verhältnis der Basis (12) zwischen Projektor (2) und Kamera (10) relativ zu der Normalentfernung (8) bzw. dem Normalabstand (ti) möglichst groß gewählt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Genauigkeit die Achsen der Objektive (6,9) von Projektor (2) und Kamera (10) normal zum Öbjc'a bzw. Vergleichsobjekt (1) ausgerichtet werden.

4. Vorrichtung zur Duruiführmg des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, mit einem Projektor (2) und einer Kamera (10) eine Geräteeinheit bilden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (12) zwischen Projektor (2) und Kamera (10) verstellbar ist und/oder die Richtungswinkel der Achsen der Objektive (6,9) des Projektors (2) und der Kamera (10) veränderbar sind.