DE4446887A1 - Non-destructive surface inspection by shearing speckle interferometry - Google Patents

Non-destructive surface inspection by shearing speckle interferometry

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Abstract

The apparatus for non-destructive surface inspection using Speckle Pattern Shearing Interferometry (Shearography) of an object (2) illuminates the object with coherent light from light source (1), which is diffusely reflected and passed through a Shearing arrangement (3) and an optical system to form a Null Shearogram and having a Loading Shearogram to produce in-plane or out-of-plane deviations by selection in the optical elements (11, 12). The object surface is illuminated from two or more directions (+Oxz, -Oxz with relation to +Oyz, -Oyz) sequentially and the pure in-plane and out-of-plane deviations are computer-generated by combining the resulting Shearograms.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7.The invention relates to a method and a device according to the preambles of Claims 1 and 7.

Zur Beobachtung von Objektoberflächen für die Dehnungsmessung mittels der Speckle Pattern Shearing Interferometrie, abgekürzt Shearografie, wird die zu untersuchende Oberfläche mit kohärentem Licht beleuchtet, das reflektierte Licht mittels einer Shearing- Optik, die z. B. aus einem einen Strahlteiler und zwei Spiegel aufweisenden Zweistrahl­ interferometer besteht, in der Bildebene eines opto-elektronischen Sensors abgebildet und das Meßergebnis dann mittels eines an den Sensor angeschlossenen Rechners ausgewertet. Bei der Verformung des Objekts ändert sich die Lage der das Licht reflektierenden Punkte nicht nur absolut, sondern auch relativ zueinander. Das führt bei der Überlagerung der im belasteten Zustand erhaltenen Bilder, den sogenannten Belastungs-Shearogrammen, mit den im unbelasteten Zustand erhaltenen Bildern, den sogenannten Null-Shearogrammen, zu Interferenzmustern, die im Gegensatz zu holografischen Verformungsmessungen nicht ein Maß für die Verformung, sondern ein Maß für den Gradienten bzw. die Ableitung der Verformung in der Shearrichtung, d. h. in derjenigen Richtung sind, in die die Licht­ strahlen vom Shearing-Element gebrochen werden. Die erhaltenen Interferenzstreifen sind damit Linien gleicher Dehnung und nicht Linien gleicher Verformung. Bei einwandfreier Verformung des Objekts sind die erhaltenen Interferenzmuster i.a. regelmäßig. Weist das Objekt dagegen Mängel auf, ergeben sich entsprechend unterschiedliche Dehnungen, die zu deutlich sichtbaren Unregelmäßigkeiten der Interferenzmuster führen.For observing object surfaces for strain measurement using the speckle Pattern shearing interferometry, abbreviated shearography, is the one to be examined Illuminated surface with coherent light, the reflected light by means of a shearing Optics, the z. B. from a beam splitter and two mirrors having two beams interferometer, mapped in the image plane of an opto-electronic sensor and the measurement result is then evaluated by means of a computer connected to the sensor. When the object is deformed, the position of the points reflecting the light changes not only absolutely, but also relative to each other. This leads to the superposition of the images, the so-called stress shearograms, in a stressed state the images obtained in the unloaded state, the so-called zero shearograms, to interference patterns which, unlike holographic deformation measurements, do not a measure of the deformation, but a measure of the gradient or the derivative of the Deformation in the shear direction, d. H. in the direction that the light is rays are broken by the shearing element. The interference fringes obtained are thus lines of the same elongation and not lines of the same deformation. With perfect Deformation of the object is the interference pattern obtained in general. regularly. Know that On the other hand, if there are defects, there are correspondingly different strains lead to clearly visible irregularities in the interference pattern.

Shearografische Verfahren und die zu ihrem Verständnis notwendigen mathematischen Grundlagen sind dem Fachmann allgemein bekannt (DE 28 06 845 C2, DE 40 36 120 A1, Y.Y. Hung in "Shearography: A Novel and Practical Approach for Nondestructive Inspection", Journal of Nondestructive Evaluation, Vol. 8, No. 2, 1989, S. 55-67 und Y.Y. Hung, A.J. Durelli in "Simultaneous Measurement of Three Displacement Derivati­ ves Using a Multiple Image-Shearing Interferometric Camera", Journal of Strain Analysis, Vol. 14, No. 3, 1979, S. 81-88).Shearographic processes and the mathematical ones necessary to understand them  The basics are generally known to the person skilled in the art (DE 28 06 845 C2, DE 40 36 120 A1, Y.Y. Hung in "Shearography: A Novel and Practical Approach for Nondestructive Inspection ", Journal of Nondestructive Evaluation, Vol. 8, No. 2, 1989, p. 55-67 and Y.Y. Hung, A.J. Durelli in "Simultaneous Measurement of Three Displacement Derivatives ves Using a Multiple Image-Shearing Interferometric Camera ", Journal of Strain Analysis, Vol. 14, No. 3, 1979, pp. 81-88).

Obwohl die shearografischen Verfahren dieser Art wegen ihrer Einfachheit und Un­ empfindlichkeit gegen äußere Einflüsse, z. B. mechanische Schwingungen der Meß­ apparatur, große Vorteile bieten, weisen sie auch noch Mängel auf. Diese bestehen vor allem darin, daß nur sogenannte out-of-plane Dehnungen sichtbar gemacht werden können bzw. auswertbar sind und die zum Sichtbarmachen bzw. Messen von Dehnungen und zum Auswerten der erhaltenen Bilder verfügbaren Shearing-Elemente vergleichsweise komplexe Aufbauten der gesamten Meßapparatur zur Folge haben.Although the shearographic processes of this type are due to their simplicity and un sensitivity to external influences, e.g. B. mechanical vibrations of the measurement equipment, offer great advantages, they also have defects. These exist all in that only so-called out-of-plane strains can be made visible or can be evaluated and which are used to visualize or measure strains and Evaluating the images obtained shearing elements comparatively complex Build up the entire measuring apparatus.

Es ist daher auch bereits bekannt geworden, in-plane Dehnungen, die von einem out-of- plane Anteil überlagert sind, sichtbar zu machen (DE 44 14 287 A1; The European Symposium on Optics for Productivity in Manufacturing, European Optical Society (EOS) and SPIE (oral presentation), 20.-24.06.94, Frankfurt/Main zum Thema "Shearography for direct Measurement of Strains" von W. Steinchen, L.X. Yang, M. Schuth, G. Kupfer; "Strains measured on plane and curved surfaces by means of the shearographic method" von W. Steinchen, M. Schuth, L.X. Yang, Journal Strain Aug. u. Nov. 1994; "Messung der Dehnungslinien auf der Oberfläche von Platten und scheibenförmigen Bauteilen mittels Shearografie" von W. Steinchen, G. Kupfer, M. Schuth, L.X. Yang, Technisches Messen, H. 6, 1994 Oberkochen).It has therefore also become known that in-plane strains caused by an out-of- plane portion are superimposed to make visible (DE 44 14 287 A1; The European Symposium on Optics for Productivity in Manufacturing, European Optical Society (EOS) and SPIE (oral presentation), June 20-24, 1994, Frankfurt / Main on the topic "Shearography for direct Measurement of Strains "by W. Steinchen, L.X. Yang, M. Schuth, G. Kupfer; "Strains measured on plane and curved surfaces by means of the shearographic method" by W. Steinchen, M. Schuth, L.X. Yang, Journal Strain Aug. u. Nov. 1994; "Measurement the expansion lines on the surface of plates and disc-shaped components Shearography "by W. Steinchen, G. Kupfer, M. Schuth, L.X. Yang, Technisches Messen, H. 6, 1994 Oberkochen).

Zur Vermeidung von Wiederholungen werden alle genannten Dokumente hiermit aus­ drücklich zum Gegenstand der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gemacht.To avoid repetition, all mentioned documents are hereby excluded expressly made the subject of the disclosure of the present application.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die verbleibenden geringen out-of-plane Anteile bei der shearografischen in-plane Dehnungs­ messung vollständig zu eliminieren oder beide Anteile voneinander zu trennen, so daß eine exakte in-plane Dehnungsmessung möglich wird. Starting from this prior art, the invention is based on the object remaining small out-of-plane proportions in shearographic in-plane expansion Eliminate measurement completely or separate both parts so that one exact in-plane strain measurement is possible.  

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 7.The characteristic features of claims 1 serve to achieve this object and 7.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß die gestellte Aufgabe durch den bloßen Einbau von zusätzlichen optischen Elementen in den Strahlengang der Beleuchtungs- oder Beobachtungsseite gelöst werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Shearing-Optik senkrecht zur betrachteten Objektoberfläche angeordnet werden kann, selbst wenn die Ermittlung reiner in-plane Dehnungen erwünscht ist.The invention has the advantage that the task set by the mere Installation of additional optical elements in the beam path of the lighting or Observation side can be solved. Another advantage is that the Shearing optics can be arranged perpendicular to the object surface under consideration, even if the determination of pure in-plane strains is desired.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen An­ sprüchen.Further advantageous features of the invention result from the dependent An sayings.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below in conjunction with the accompanying drawing Exemplary embodiments explained in more detail. Show it:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur wahlweisen Ermittlung der Ableitungen von out-of-plane und in-plane Verformungen; Fig. 1 shows schematically a device for the selective determination of the derivatives of out-of-plane and in-plane deformation;

Fig. 2a bis 2d bei Anwendung der Vorrichtung nach Fig. 1 jeweils im Vergleich an einer Kreisscheibe mit shearografischen Mitteln erhaltene in-plane Interferenzmuster und Fig. 2e bis 2g mit rechnerischen Lösungen erhaltene Aufnahmen für den zweiachsigen Spannungs­ zustand, wobei die Streifenmuster der Fig. 2c und 2d bei Überlagerung die in Fig. 2g dargestellte Gleitung ergeben; 2a state. To 2d when using the device according to Fig. 1 obtained in each case in comparison to a circular disk with shearografischen means plane in interference pattern and Fig. 2e to 2g obtained with theoretical solutions recordings for the two-axis voltage, wherein the stripe pattern of FIG. 2c and 2d when superimposed result in the glide shown in FIG. 2g;

Fig. 3 schematisch eine durch Polarisation erhaltbare Absorption des in-plane oder out-of- plane Anteils bei Anwendung der erfindungsgemäß durch Polarisatoren ergänzten Vorrichtung nach Fig. 1; Figure 3 shows schematically an obtainable by absorption of the polarization plane in or out-of-plane component in the application according to the invention supplemented by polarizers device of FIG. 1.

Fig. 4 schematisch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur wahlweisen Ermittlung der Ableitungen von out-of-plane und in-plane Verformungen mit der Möglichkeit der Separierung beider Anteile; Fig. 4 schematically shows a second embodiment of a device according to the invention for the selective determination of the derivatives of out-of-plane and in-plane strains with the possibility of separation of both parts;

Fig. 5a und 5b mit der Vorrichtung nach Fig. 4 erhaltene, überlagerte in-plane und out-of-plane Dehnungsanteile bei in-plane Belastung eines gekröpften Zugstabs; FIGS. 5a and 5b with the device according to FIG. 4, superimposed in-plane and out-of-plane expansion components with in-plane loading of a cranked tension rod;

Fig. 5c und 5d die reinen in-plane bzw. out-of-plane Dehnungsanteile, errechnet aus den Dehnungsanteilen nach Fig. 5a und 5b; Fig. 5c and the pure plane in-5d or out-of-plane strain components, calculated from the elongation amounts to Figures 5a and 5b.

Fig. 6a bis 6c den Fig. 5a bis 5c entsprechende Dehnungsanteile bei in-plane Belastung eines Zugstabs mit Außenkerben; FIGS. 6a to 6c FIGS. 5a to 5c correspond to the proportions of elongation in the case of an in-plane loading of a tension rod with external notches;

Fig. 7a bis 7d reine in-plane Terme bei in-plane Belastung eines Zugstabs mit Außen­ kerben; und Fig. 7a to 7d pure plane in terms at in-plane stress notches of a pull rod with outside; and

Fig. 8a bis 8d den Fig. 7a bis 7d entsprechende Terme bei in-plane Belastung eines Zugstabs mit Mittelbohrung. FIG. 8a to 8d Figs. 7a to 7d corresponding terms at plane in loading of a pull rod with the central bore.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 dient zunächst in an sich bekannter Weise zur Ermittlung der Ableitungen von in-plane Verformungen sowie der Ermittlung der out-of-plane Terme. Hierzu weist die Vorrichtung eine kohärentes Licht ausstrahlende Lichtquelle 1, vorzugs­ weise einen Laser, eine nicht näher dargestellte Halterung für ein zu untersuchendes Objekt 2, eine Shearing-Anordnung 3, z. B. ein Zweistrahlinterferometer mit einem Strahlteiler 7 und zwei Spiegeln 4 und 5, und eine Bildebene 6 auf, in der ein Bildauf­ nehmer, z. B. ein fotografischer Film, ein optoelektronischer Bildaufnehmer auf CCD- Basis oder irgendein anderer Aufzeichnungsträger zur Aufnahme und Speicherung eines fotografischen Bildes angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel ist ein optoelektronischer Sensor 6a vorgesehen. Das vom optoelektronischen Sensor 6a registrierte Bild der Objektoberfläche wird als erstes Phasenbild bei im undeformierten Zustand befindlichen Objekt 2 in einem Frame-Grabber (Bildspeicher) 8 gespeichert. Das vom optoelektroni­ schen Sensor 6a registrierte Bild des zweiten Phasenbilds bei im deformierten Zustand befindlichen Objekt 2 wird davon subtrahiert bzw. addiert. Das Ergebnis der Subtraktion bzw. Addition wird auf dem Bildschirm 10 eines Rechners dargestellt. Speicherung, Subtraktion bzw. Addition und Darstellung erfolgen jeweils pixelweise für jeden Punkt des Objekts 2. Das Bild des deformierten Objektzustands 2 wird von dem im Bildspeicher gespeicherten Bild subtrahiert bzw. addiert und auf dem Bildschirm 10 dargestellt. The device according to FIG. 1 is used in a manner known per se to determine the derivatives of in-plane deformations and to determine the out-of-plane terms. For this purpose, the device has a coherent light emitting light source 1 , preferably a laser, a holder (not shown) for an object to be examined 2 , a shearing arrangement 3 , for. B. a two-beam interferometer with a beam splitter 7 and two mirrors 4 and 5 , and an image plane 6 in which an image taker, for. B. a photographic film, an optoelectronic image recorder based on CCD or any other recording medium for recording and storage of a photographic image is arranged. In the exemplary embodiment, an optoelectronic sensor 6 a is provided. The image of the object surface registered by the optoelectronic sensor 6 a is stored in a frame grabber (image memory) 8 as the first phase image when the object 2 is in the undeformed state. The image of the second phase image registered by the optoelectronic sensor 6 a when the object 2 is in the deformed state is subtracted or added therefrom. The result of the subtraction or addition is shown on the screen 10 of a computer. Storage, subtraction or addition and display take place pixel by pixel for each point of object 2 . The image of the deformed object state 2 is subtracted or added from the image stored in the image memory and displayed on the screen 10 .

Das bekannte Verfahren der Shearografie besteht darin, daß das Objekt 2 bzw. seine zu untersuchende Oberfläche zunächst im unbelasteten Zustand mit kohärentem Licht beleuchtet bzw. bestrahlt und das von dieser Oberfläche diffus reflektierte Licht in der Bildebene 6 abgebildet wird. Dabei bewirkt eine Shearing-Einheit in Form des Spiegels 5, daß ein Teil des von irgendeinem Punkt P₁ der Objektoberfläche kommenden Lichts in einem Punkt P₁₁ und der restliche Teil des vom Punkt P₁ kommenden Lichts in einem Punkt P₁₂ der Bildebene 6 gesammelt werden, wobei der Abstand der Punkte P₁₁ und P₁₂ üblicherweise als Shearabstand bezeichnet wird. Die Richtung der Verschiebung der beiden Punkte P₁₁ und P₁₂, d. h. die Shearrichtung, hängt von der Lage, d. h. von der Verkippung des Shearing-Spiegels 5 ab. Eine Vershearung der Objektoberfläche in y- Richtung ergibt sich infolge Kippen des Spiegels 5 um die in Fig. 1 schematisch angedeu­ tete z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems, und analog wird die Vershearung der Objektoberfläche in x-Richtung infolge Kippen des Spiegels 5 um die y-Achse beobachtet. Die xy-Ebene des Koordinatensystems liegt dabei in der zu betrachtenden Oberfläche des Objekts 2. Der Shearabstand läßt sich durch die Größe des jeweiligen Kippwinkels des Planspiegels 5 einstellen. Als Shearing-Einheit kann wahlweise auch der Spiegel 4 verwendet werden.The known method of shearography is that the object 2 or its surface to be examined is first illuminated or irradiated with coherent light in the unloaded state and the light diffusely reflected by this surface is imaged in the image plane 6 . A shearing unit in the form of the mirror 5 causes part of the light coming from any point P₁ of the object surface to be collected in a point P₁₁ and the remaining part of the light coming from point P₁ in a point P₁₂ to the image plane 6 , the Distance between the points P₁₁ and P₁₂ is commonly referred to as the shear distance. The direction of the displacement of the two points P₁₁ and P₁₂, ie the shear direction, depends on the position, ie on the tilt of the shearing mirror 5 . The object surface is moved in the y direction as a result of the mirror 5 being tilted about the z-axis of a Cartesian coordinate system, which is indicated schematically in FIG. 1, and the object surface is being moved in the x direction as a result of tilting the mirror 5 about the y -Axis observed. The xy plane of the coordinate system lies in the surface of the object 2 to be considered. The shear distance can be adjusted by the size of the respective tilt angle of the plane mirror 5 . The mirror 4 can optionally also be used as the shearing unit.

Zur Vershearung der Objektoberfläche um einen hinsichtlich Größe und Richtung einstellbaren Kippwinkel sind vorzugsweise verstellbare Feinmeßschrauben vorgesehen, so daß Shearrichtung und Shearabstand eingestellt werden können.For arranging the object surface by one in terms of size and direction adjustable tilt angle preferably adjustable micrometers are provided, so that the shear direction and shear distance can be set.

Für das Null-Shearogramm werden mittels eines am Spiegel 4 befestigten Piezokristalls, der über einen mit dem Rechner 10 verbundenen D/A-Wandler 9 gesteuert wird, mehrere, definiert phasenverschobene Bilder registriert. Daraus wird für jedes Pixel die Phase bestimmt. Dieses Verfahren wird dann für den deformierten Objektzustand wiederholt. Damit ist die rechnerunterstützte Auswertung der Dehnungen aus Shearogrammen möglich.For the zero shearogram, a plurality of defined phase-shifted images are registered by means of a piezo crystal attached to the mirror 4 , which is controlled by a D / A converter 9 connected to the computer 10 . The phase is determined from this for each pixel. This process is then repeated for the deformed object state. This enables computer-aided evaluation of the strains from shearograms.

Bei den bisher üblichen shearografischen Verfahren wird das Objekt 2, hier eine plan­ parallele Platte, in der Regel in z-Richtung mit einer Kraft ± Fz belastet, so daß sich eine der Bildebene 6 zugewandte Oberfläche in z-Richtung konvex oder konkav wölbt und eine sogenannte out-of-plane Verformung erhalten wird. Die Erzielung brauchbarer Inter­ ferenzmuster setzt hierbei voraus, daß die von der Lichtquelle 1 ausgehenden Lichtstrahlen und die senkrecht zur xy-Ebene verlaufende und z. B. in diesem Bereich mit der z-Achse zusammenfallende optische Achse des Systems im wesentlichen beide in der xz-Ebene oder einer dazu parallelen Ebene liegen und einen Winkel θxz bilden, der möglichst klein ist. Die hierbei erhaltenen Interferenzstreifen lassen sich bei Vershearung in x-Richtung als Streifen gleicher Dehnung in x-Richtung deuten. Wird der Verformungs-Vektor mit V = u (x,y,z) + v (x,y,z) + w (x,y,z) bezeichnet, würden daher die Streifen ein Maß für die Größe ∂w/∂x sein. Entsprechend würde das Interferenzmuster ein Maß für die Größe ∂w/∂y liefern, wenn das Shearing-Element 5 um 90° verdreht gekippt und daher ein Bildversatz in y-Richtung herbeigeführt würde.In the previously common shearographic methods, the object 2 , here a plane parallel plate, is usually loaded with a force ± F z in the z direction, so that a surface facing the image plane 6 is convex or concave in the z direction and a so-called out-of-plane deformation is obtained. Achieving useful Inter reference pattern here presupposes that the light rays emanating from the light source 1 and the perpendicular to the xy plane and z. B. in this area coinciding with the z-axis optical axis of the system are essentially both in the xz-plane or a plane parallel thereto and form an angle θ xz that is as small as possible. The interference fringes obtained in this way can be interpreted as stripes of the same elongation in the x direction when they are exchanged in the x direction. If the deformation vector is designated V = u (x, y, z) + v (x, y, z) + w (x, y, z), the stripes would therefore be a measure of the size ∂w / ∂x his. Accordingly, the interference pattern would provide a measure of the size Größew / ∂y if the shearing element 5 was tilted rotated by 90 ° and therefore an image offset in the y direction was brought about.

Dieselben Beträge für die Größen ∂w/∂x und ∂w/∂y lassen sich bei der Anwendung einer Lichtquelle erhalten, deren Achse mit der z-Achse bzw. der optischen Achse einen möglichst kleinen Winkel θyz bildet und in der yz-Ebene liegt.The same amounts for the quantities ∂w / ∂x and ∂w / ∂y can be obtained when using a light source whose axis forms the smallest possible angle θ yz with the z axis and the optical axis and in the yz plane lies.

Demgegenüber müssen für eine in-plane Beleuchtung und in-plane Beobachtung mit der Apparatur nach Fig. 1 zumindest zwei Voraussetzungen erfüllt sein. Die erste Voraus­ setzung ist, daß die Winkel θxz bzw. θyz ungleich Null sein müssen und möglichst nahe bei 90°, vorzugsweise zwischen 80° und 90° liegen sollten, was mit der Vorrichtung nach Fig. 1 durch entsprechende Schwenkung der Lichtquelle 1 leicht realisierbar ist. Die zweite Voraussetzung ist dagegen, daß die auf das Objekt 2 wirkenden Kräfte so gewählt werden, daß die daraus in z-Richtung resultierenden Verformungen sehr kleine Ableitun­ gen ∂w/∂x und ∂w/∂y aufweisen und die Verformung daher hauptsächlich in der xy- Ebene, d. h. "in-plane" erfolgt. Unter diesen Voraussetzungen ergeben die mit der sonst gleichen Vorrichtung erhaltenen Interferenzmuster je nach entsprechender Kippung einer Shearing-Einheit, z. B. des Spiegels 5 der Shearing-Anordnung 3, ein Maß für ∂u/∂x und ∂u/∂y, wenn die Strahlachse und die z-Achse in der xz-Ebene liegen, bzw. ein Maß für die Werte ∂v/∂x und ∂v/∂y, wenn die Strahlachse und die z-Achse in der yz-Ebene liegen. Dabei ist in Fig. 1 angenommen, daß zur Messung oder Sichtbarmachung der Ableitungen der in-plane Verformungen z. B. mittels der Kraft ± Fx eine Dehnung (oder Stauchung) des Objekts 2 in x-Richtung herbeigeführt wird. Alternativ wäre es möglich, aufgrund einer Kraft ± Fy eine Dehnung (oder Stauchung) in y-Richtung oder irgendeiner anderen Richtung innerhalb der xy-Ebene herbeizuführen. In contrast, at least two requirements must be met for in-plane lighting and in-plane observation with the apparatus according to FIG. 1. The first prerequisite is that the angles θ xz and θ yz must be nonzero and should be as close as possible to 90 °, preferably between 80 ° and 90 °, which is achieved with the device according to FIG. 1 by correspondingly pivoting the light source 1 is easy to implement. The second prerequisite, on the other hand, is that the forces acting on object 2 are selected so that the resulting deformations in the z direction have very small derivatives ∂w / ∂x and ∂w / undy and therefore the deformation mainly in the xy plane, ie "in-plane". Under these conditions, the interference pattern obtained with the otherwise identical device, depending on the corresponding tilting of a shearing unit, eg. B. the mirror 5 of the shearing arrangement 3 , a measure of ∂u / ∂x and ∂u / ∂y when the beam axis and the z-axis lie in the xz plane, or a measure of the values ∂v / ∂x and ∂v / ∂y if the beam axis and the z axis lie in the yz plane. It is assumed in Fig. 1 that for measuring or visualizing the derivatives of the in-plane deformations z. B. by means of the force ± F x an expansion (or compression) of the object 2 in the x direction is brought about. Alternatively, it would be possible to cause an expansion (or compression) in the y direction or any other direction within the xy plane on the basis of a force ± F y .

Noch genauere Messungen der in-plane Dehnungen lassen sich erhalten, wenn berücksich­ tigt wird, daß der als Winkelhalbierende zwischen Beleuchtungs- und Beobachtungsstrahl definierte Sensitivitätsvektor möglichst in x- oder y-Richtung erstreckt sein sollte. In praktischen Anwendungsfällen ist eine solche Lage zwar nicht erreichbar, doch ist es möglich, den Sensitivitätsvektor unter einem Winkel von z. B. ca. 20-30° zur x- oder y- Achse und damit unter einem Winkel von ca. 70-60° zur z-Achse anzuordnen. Für diese Fälle zeigt die Rechnung, daß in den relativen Phasenverschiebungen die Terme ∂u/∂x, ∂u/∂y und entsprechend ∂v/∂x und ∂v/∂y eine erheblich größere Gewichtung als die ent­ sprechenden Terme ∂w/∂x und ∂w/∂y erhalten, so daß die überlagerten out-of-plane Anteile vergleichsweise klein werden.Even more accurate measurements of the in-plane strains can be obtained if It is tigt that the bisector between the illuminating and observation beam defined sensitivity vector should extend as far as possible in the x or y direction. In Such a situation cannot be achieved in practical applications, but it is possible to measure the sensitivity vector at an angle of z. B. approx. 20-30 ° to the x- or y- Axis and thus at an angle of approx. 70-60 ° to the z-axis. For this The calculation shows that in the relative phase shifts the terms ∂u / ∂x, ∂u / ∂y and correspondingly ∂v / ∂x and ∂v / ∂y a significantly larger weighting than the ent speaking terms ∂w / ∂x and ∂w / ∂y, so that the superimposed out-of-plane Shares become comparatively small.

Verfahren und Vorrichtungen der beschriebenen Art sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt (z. B. DE 44 14 287 A1) und brauchen daher nicht näher erläutert werden.Methods and devices of the type described are basic to the person skilled in the art known (e.g. DE 44 14 287 A1) and therefore do not need to be explained in more detail.

Beispiele für mit einer Vorrichtung nach Fig. 1 erhaltene Interferenzmuster sind in Fig. 2 gezeigt. Dabei zeigen die Fig. 2a bis 2d die durch Messung erhaltenen Interferenzmuster einer diametral gedrückten Kreisscheibe, in der ein zweiachsiger Spannungszustand hervorgerufen wird. Der Vergleich mit den auf rechnerischem Wege ermittelten Deh­ nungszuständen nach Fig. 2e bis 2g zeigt gute Übereinstimmung.Examples of interference patterns obtained with a device according to FIG. 1 are shown in FIG. 2. The Fig. 2a to 2d show the interference patterns obtained by measuring a diametrically depressed circular disc in which a biaxial stress state is caused. The comparison with the strain states determined by calculation according to FIGS . 2e to 2g shows good agreement.

Die Erfindung bezweckt demgegenüber, die geringen out-of-plane Anteile bei der shearografischen in-plane Dehnungsmessung vollständig zu eliminieren bzw. beide Anteile zu separieren, damit auch eine exakte in-plane Dehnungsmessung möglich wird. Dies kann erfindungsgemäß durch den bloßen Einbau von optischen Elementen in den Strahlengang der Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung nach Fig. 1 oder rechnerisch bei Anwendung der Vorrichtung nach Fig. 4 erfolgen.In contrast, the invention aims to completely eliminate the small out-of-plane components in the shearographic in-plane expansion measurement or to separate both components so that an exact in-plane expansion measurement is also possible. According to the invention, this can be done by simply installing optical elements in the beam path of the illumination and observation direction according to FIG. 1, or computationally when using the device according to FIG. 4.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 wird in den Beleuchtungsstrahl und in den Be­ obachtungsstrahl zusätzlich je ein Polarisator 11 bzw. 12 eingebracht. Dabei kann es sich jeweils um einen Linearpolarisator und eine Viertelwellenplatte als Verzögerungs- bzw. Beschleunigungselement, um einen aus der Kombination von beiden bestehenden Zirkular­ polarisator oder auch um einen bloßen Linearpolarisator handeln. Die Erfindung geht hier von dem Gedanken aus, daß die out-of-plane Anteile und die in-plane Anteile im Be­ obachtungsstrahl bevorzugt in unterschiedlichen Richtungen schwingen. Die Polarisation der Beleuchtungs- und Beobachtungsstrahlen dient daher dem Zweck, nur in bestimmter Weise polarisiertes Licht auf die Bildebene 6 gelangen zu lassen. Wird dabei der erste Polarisator 11 so eingestellt, daß die Polarisation z. B. vertikal erfolgt, und der zweite, als Analysator wirkende Polarisator 12 mit dazu senkrechter Polarisationsrichtung eingestellt, dann wird diejenige Lichtwelle absorbiert, deren Schwingungsrichtung rechtwinklig zur Schwingungsrichtung derjenigen Lichtwelle ist, die vom ersten Polarisator 11 durch­ gelassen wird. Auf diese Weise kann je nach Stellung der Polarisatoren 11 und 12 der in- plane oder der out-of-plane Anteil absorbiert werden.In the embodiment according to FIG. 1, a polarizer 11 or 12 is additionally introduced into the illumination beam and into the observation beam. This can be a linear polarizer and a quarter-wave plate as a deceleration or acceleration element, a circular polarizer consisting of a combination of the two, or a mere linear polarizer. The invention is based on the idea that the out-of-plane components and the in-plane components in the observation beam preferably oscillate in different directions. The polarization of the illuminating and observation beams therefore serves the purpose of only allowing polarized light to reach the image plane 6 . If the first polarizer 11 is set so that the polarization z. B. vertically, and the second, acting as an analyzer polarizer 12 with a perpendicular polarization direction is set, then that light wave is absorbed, whose direction of vibration is perpendicular to the direction of vibration of the light wave that is let through by the first polarizer 11 . In this way, depending on the position of the polarizers 11 and 12, the in-plane or out-of-plane portion can be absorbed.

Sind zusätzlich Viertelwellenplatten bzw. Zirkularpolarisatoren vorgesehen, wird die Viertelwellenplatte des Polarisators 11 z. B. um 45° gegen die Vertikale im Uhrzeigersinn und die Viertelwellenplatte des Polarisators 12 um 45° gegen die Vertikale im Gegen­ uhrzeigersinn eingestellt. Damit passiert lediglich die eine, z. B. die in-plane Dehnungs­ komponente, den zweiten Polarisator 12, während der andere Anteil absorbiert wird. Danach gelangen die Lichtwellen in die Zweistrahlinterferometer-Anordnung, wobei die vom ersten Polarisator 11 bewirkte Zirkularpolarisation durch die Viertelwellenplatte des zweiten Polarisators 12 wieder aufgehoben ist. Vorteilhaft an dieser Art der Polarisation ist der Umstand, daß das auf das Objekt treffende Licht in alle Richtungen schwingt.If quarter wave plates or circular polarizers are additionally provided, the quarter wave plate of the polarizer 11 is e.g. B. by 45 ° against the vertical in the clockwise direction and the quarter-wave plate of the polarizer 12 by 45 ° against the vertical in the counterclockwise direction. So that only one, z. B. the in-plane expansion component, the second polarizer 12 , while the other portion is absorbed. The light waves then enter the two-beam interferometer arrangement, the circular polarization caused by the first polarizer 11 being canceled again by the quarter-wave plate of the second polarizer 12 . An advantage of this type of polarization is the fact that the light hitting the object vibrates in all directions.

Fig. 3 zeigt schematisch mit Doppelpfeilen die Wirkung von Zirkularpolarisatoren. Trifft das von der Lichtquelle 1 kommende Licht zunächst auf einen Linearpolarisator 13, wird es in der durch einen Doppelpfeil bezeichneten Ebene polarisiert. Fällt dieses linear polarisierte Licht auf eine nachgeschaltete Viertelwellenplatte 14, so resultiert daraus zirkular polarisiertes Licht, das - wie durch einen weiteren Pfeil angedeutet ist - schrau­ benlinienförmig schwingt. Bei der Reflexion an der Oberfläche des Objekts 2 dreht sich der Richtungssinn der Zirkularpolarisation um, so daß bei erneutem Auftreffen der Lichtwelle auf die Viertelwellenplatte 14 eine Rückwandlung in linear polarisiertes Licht erfolgt. Beim erneuten Auftreffen auf den Polarisator 13 wird nur die dessen Stellung entsprechende Komponente durchgelassen. Fig. 3 shows schematically with double arrows the effect of circular polarizers. If the light coming from the light source 1 first hits a linear polarizer 13 , it is polarized in the plane indicated by a double arrow. If this linearly polarized light falls on a downstream quarter-wave plate 14 , the result is circularly polarized light which - as indicated by a further arrow - oscillates in a screw line. When reflected on the surface of the object 2 , the direction of the circular polarization reverses, so that when the light wave hits the quarter-wave plate 14 again, it is converted back into linearly polarized light. When the polarizer 13 strikes again , only the component corresponding to its position is let through.

Alternativ zur beschriebenen Ausführungsform ist es möglich, die Polarisatoren an anderen Stellen des Strahlengangs anzuordnen, beispielsweise in den Zwischenräumen zwischen den Spiegeln 4 bzw. 5 und dem Strahlteiler 7.As an alternative to the described embodiment, it is possible to arrange the polarizers at other points in the beam path, for example in the spaces between the mirrors 4 or 5 and the beam splitter 7 .

Die Vershearung und Phasenschiebung erfolgen bei dieser Ausführungsform in bekannter Weise.In this embodiment, the displacement and phase shift are carried out in a known manner Wise.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 4 wird demgegenüber von dem Gedanken ausgegangen, das Objekt 2 vorzugsweise spiegelsymmetrisch aus zwei Richtungen mit zwei Beleuchtungs­ strahlen 15 und 16 zu beleuchten und in diesen Strahlen jeweils einen Verschluß 17 bzw. 18 anzuordnen. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, die Objektoberfläche durch Öffnen bzw. Schließen der Verschlüsse 17, 18 von verschiedenen Seiten her im Grund- oder Belastungszustand zu beleuchten und dann mit der Zweistrahlmterferometer-Anord­ nung 3 wie bei Fig. 1 phasenverschobene Shearogramme aufzunehmen. Im Unterschied zu Fig. 1 werden dabei die Shearogramme verschiedenen arithmetischen Operationen unterworfen, um die in-plane und out-of-plane Anteile durch rechnerische Methoden voneinander zu trennen. Außerdem können durch Variation der Beleuchtungseinrichtungen und der Shearrichtungen die Gradienten der in-plane Verformungen in verschiedene Richtungen gebildet und zahlenmäßig dargestellt werden.In the device according to FIG. 4, on the other hand, it is assumed that the object 2 is preferably mirror-symmetrical from two directions with two illuminating beams 15 and 16 and in each of these beams a shutter 17 or 18 is arranged. This makes it possible in a simple manner to illuminate the object surface by opening or closing the shutters 17 , 18 from different sides in the basic or loading state and then to record phase-shifted shea programs with the two-beam interferometer arrangement 3 as in FIG. 1. In contrast to FIG. 1, the shea programs are subjected to various arithmetic operations in order to separate the in-plane and out-of-plane components from one another by means of computational methods. In addition, by varying the lighting devices and the shear directions, the gradients of the in-plane deformations in different directions can be formed and represented numerically.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 4 werden die beiden Beleuchtungsstrahlen 15 und 16 der Einfachheit halber durch zwei verschiedene Lichtquellen 1 und 19, insbesondere Laser, erzeugt. Im Hinblick auf Kohärenz und gleiche Wellenlänge erfolgt die Erzeugung beider Strahlen 15, 16 jedoch vorzugsweise mit Hilfe derselben Lichtquelle 1, indem z. B. in den Beleuchtungsstrahl 15 ein zusätzlicher, den Strahl 16 bildender Strahlteiler eingebracht wird. Wahlweise kann auch eine einzige Lichtquelle entsprechend den vorgegebenen Positionen geschwenkt werden.In the apparatus according to Fig. 4, the two illumination beams 15 and 16 are for simplicity formed by two different light sources 1 and 19, in particular laser. With regard to coherence and the same wavelength, however, the generation of both beams 15 , 16 is preferably carried out with the aid of the same light source 1 , for example by B. an additional beam splitter forming the beam 16 is introduced into the illumination beam 15 . Optionally, a single light source can also be pivoted according to the specified positions.

Wie Fig. 4 zeigt, liegen die beiden Beleuchtungsstrahlen 15 und 16 auf beiden Seiten der yz-Ebene einander gegenüber, wobei die maßgeblichen Winkel mit +θxz und -θxz bezeich­ net sind. Die Zweistrahlinterferometer-Anordnung 3 ist so ausgerichtet, daß sie das vom Objekt 2 reflektierte Licht beider Strahlen 15 und 16 empfängt. Die Vershearung und Phasenverschiebung erfolgen auch bei dieser Ausführungsform in bekannter Weise. Dabei wird z. B. zuerst der Verschluß 18 geschlossen und der Verschluß 17 geöffnet und das Objekt 2 im Grundzustand unter dem Beleuchtungswinkel +θxz beleuchtet. Das Speckle- Interferenzbild, das diese erste Beleuchtung erzeugt, wird vom Rechner 10 mittels des Bildaufnehmers 6a, z. B. einer CCD-Kamera, gespeichert. Die Intensitätsverteilungen werden wie üblich von mehreren, um einen vorher festgelegten Winkel phasenverschobe­ nen Shearogrammen mit der bekannten Phasenschiebetechnik gemessen, und die Phasen­ werte θ+1 werden für jeden Punkt des Speckle-Interferenzfeldes berechnet. Dann wird der Verschluß 17 geschlossen und der Verschluß 18 geöffnet. Damit wird das Objekt durch den weiteren Beleuchtungsstrahl 16 unter dem Beleuchtungswinkel -θxz illuminiert und analog die Phasenverteilung θ-1 des durch den Beleuchtungsstrahl 16 erzeugten Speckle- Interferenzfeldes im Rechner 10 bestimmt.As shown in FIG. 4, the two illuminating beams 15 and 16 lie opposite one another on both sides of the yz plane, the relevant angles being designated with + θ xz and -θ xz . The two-beam interferometer arrangement 3 is oriented such that it receives the light of both beams 15 and 16 reflected by the object 2 . The displacement and phase shift also take place in a known manner in this embodiment. Here, for. B. first the shutter 18 closed and the shutter 17 opened and the object 2 illuminated in the basic state under the illumination angle + θ xz . The speckle interference image that generates this first illumination is from the computer 10 by means of the image sensor 6 a, z. B. a CCD camera stored. The intensity distributions are measured as usual from several shearograms phase-shifted by a predetermined angle using the known phase shifting technique, and the phase values θ +1 are calculated for each point of the speckle interference field. Then the shutter 17 is closed and the shutter 18 is opened. The object is thus illuminated by the further illuminating beam 16 under the illuminating angle -θ xz and, analogously, the phase distribution θ -1 of the speckle interference field generated by the illuminating beam 16 is determined in the computer 10 .

Nachdem das Objekt 2 belastet ist, verändert sich das Speckle-Interferenzfeld entspre­ chend. Es werden wiederum die Phasenverteilung θ+2 für den Beleuchtungsstrahl 15 unter dem Winkel +θxz bei geschlossenem Verschluß 18 und bei offenem Verschluß 17 und weiterhin die Phasenverteilung θ-2 für den Beleuchtungsstrahl 16 unter dem Winkel -θxz bei geöffnetem Verschluß 18 und bei geschlossenem Verschluß 17 ermittelt und aus den gemessenen Intensitätsverteilungen der phasenverschobenen Shearogramme bestimmt.After the object 2 is loaded, the speckle interference field changes accordingly. There are again the phase distribution θ +2 for the illumination beam 15 at the angle + θ xz with the shutter 18 closed and with the shutter 17 open, and also the phase distribution θ -2 for the illumination beam 16 with the angle -θ xz with the shutter 18 open and at closed shutter 17 determined and determined from the measured intensity distributions of the phase-shifted shea programs.

Durch digitale Subtraktion der Phasenverteilungen im unbelasteten bzw. belasteten Zustand des Objekts 2 mittels des Rechners 10 können die relativen Phasenänderungswerte Δ+ Θ für den Beleuchtungsstrahl 15 unter dem Winkel +θxz der Lichtquelle 1 ermittelt werden. Ähnlich wie Δ+ θ können die relativen Phasenänderungswerte Δ- θ für den Beleuch­ tungsstrahl 16 unter dem Winkel -θxz der Lichtquelle 19 berechnet werden.By digitally subtracting the phase distributions in the unloaded or loaded state of the object 2 by means of the computer 10 , the relative phase change values Δ + Θ for the illuminating beam 15 can be determined at the angle + θ xz of the light source 1 . Similar to Δ + θ , the relative phase change values Δ - θ for the illuminating beam 16 can be calculated at the angle -θ xz of the light source 19 .

Bei der oben anhand der Vorrichtung nach Fig. 4 erläuterten Verfahrensweise können die Öffnungs- und Schließzeiten der Verschlüsse 17 und 18 so schnell gesteuert werden, daß deren halbe, einfache oder doppelte Frequenz mit der Anregungsfrequenz eines zu Schwingungen angeregten Objekts übereinstimmt, wodurch die in-plane Dehnungen mit dem optoelektronischen Sensor 6a aufgezeichnet werden können. Dazu sind die Ver­ schlüsse 17 und 18 durch akusto- oder elektrooptische Modulatoren an gleicher Stelle im Strahlengang 15 und 16 zu ersetzen. Die schnelle Steuerung der Öffnungs- und Schließzei­ ten der Verschlüsse 17 und 18 führt zur Echtzeit-Registrierung von reinen in-plane und out-of-plane Dehnungen. In the procedure explained above with reference to the device according to FIG. 4, the opening and closing times of the closures 17 and 18 can be controlled so quickly that their half, single or double frequency coincides with the excitation frequency of an object excited to vibrate, whereby the plane strains can be recorded with the optoelectronic sensor 6 a. For this purpose, the closures 17 and 18 are to be replaced by acousto-optical or electro-optical modulators in the same place in the beam path 15 and 16 . The rapid control of the opening and closing times of the closures 17 and 18 leads to the real-time registration of pure in-plane and out-of-plane expansions.

Eine weitere Variante bei der Vorrichtung nach Fig. 4 könnte darin bestehen, vor der Shearing-Anordnung 3 eine aus einem Objektiv und einer nachgeschalteten Linse bestehen­ den Abbildungsoptik 20 derart anzuordnen, daß zwischen dem Objektiv und der Linse eine Zwischenabbildung 21 entsteht und dadurch bedingt hinter der Linse parallele Lichtstrahlen des abzubildenden Objekts erzeugt werden, die die Shearing-Anordnung 3 und anschließend eine weitere Linse vor dem Sensor 6a durchlaufen.A further variant in the device according to FIG. 4 could consist of arranging the imaging optics 20 in front of the shearing arrangement 3, consisting of a lens and a downstream lens, in such a way that an intermediate image 21 is formed between the lens and the lens and, as a result, behind the lens parallel light rays of the object to be imaged are generated, which pass through the shearing arrangement 3 and then a further lens in front of the sensor 6 a.

Grundlage für eine exakte Messung sind jeweils zwei Shearogramme mit zwei ver­ schiedenen Beleuchtungswinkeln θ₁ und θ₂ in derselben Ebene xz oder yz. Unter dieser Voraussetzung ergeben sich die zwei folgenden Grundgleichungen der Shearografie mit sin(-θ) = -sinθ für die Vershearung in x-Richtung:The basis for an exact measurement are two shea programs with two ver different lighting angles θ₁ and θ₂ in the same plane xz or yz. Under this The following two basic equations of shearography are a prerequisite sin (-θ) = -sinθ for the x-direction:

Für die hellen Interferenzstreifen gilt für die relative Phasenverschiebung Δ=2πn mit n als Streifenordnung. Durch Subtrahieren der oberen von der unteren Gleichung ergibt sich die folgende Auswertegleichung mit λ als Wellenlänge des Laserlichts:For the bright interference fringes, the relative phase shift is Δ = 2πn with n as a strip order. Subtracting the upper equation from the lower equation gives the following evaluation equation with λ as the wavelength of the laser light:

Diese Gleichung ist unabhängig von dem out-of-plane Term ∂w/∂x. Wenn die Beleuch­ tungswinkel die Werte θ₁ = θ und θ₂ = -θ annehmen, so ergibt sich für die Interferenz­ streifen folgendes:This equation is independent of the out-of-plane term ∂w / ∂x. If the lighting tion angle assume the values θ₁ = θ and θ₂ = -θ, so there is interference strip the following:

Darin sind ∂x der Shearabstand auf der Objektoberfläche in x-Richtung, n₁ die Streifen­ ordnung für +θ und n₂ die Streifenordnung für -θ.In it are ∂x the shear distance on the object surface in the x direction, n₁ the stripes order for + θ and n₂ the strip order for -θ.

Analoges gilt für die y-Richtung als Shearrichtung.The same applies to the y direction as the shear direction.

Aus den oben genannten Grundgleichungen der Shearografie können die relativen Phasenänderungen Δ+ θ (entspricht dem Beleuchtungswinkel +θxz) und Δ- θ (entspricht dem Beleuchtungswinkel -θxz) wie folgt ausgedrückt werden:From the above-mentioned basic equations of shearography, the relative phase changes Δ + θ (corresponds to the illumination angle + θ xz ) and Δ - θ (corresponds to the illumination angle -θ xz ) can be expressed as follows:

Weil die relativen Phasenänderungen Δ+ θ und Δ- θ berechnet worden sind, kann direkt aus dem digitalen Subtrahleren Δ- θ von Δ+ θ ein Streifenmuster, das die reine in-plane Dehnung ∂u/∂x darstellt, für die x,z-Beleuchtungsebene in x-Richtung als Shearrichtung geliefert werden:Because the relative phase changes Δ + θ and Δ - were calculated θ, can be directly from the digital Subtrahleren Δ - θ of Δ + θ a stripe pattern that represents the pure in-plane strain ∂u / ∂x, for the x, z -Lighting plane in the x-direction can be delivered as a shear direction:

Für verschiedene Shearrichtungen und Beleuchtungsebenen ergeben sich unterschiedliche Streifenmuster, die den verschiedenen in-plane Komponenten des Dehnungstenors entsprechen:There are different results for different shear directions and lighting levels Stripe patterns that correspond to the various in-plane components of the strain tensor:

Aus den zuletzt angegebenen vier Gleichungen folgt, daß in ihnen die Terme ∂w/∂x usw. nicht mehr enthalten sind und damit ausschließlich für die in-plane Verformungen charakteristische Größen erhalten werden.From the last four equations it follows that the terms ∂w / ∂x etc. are no longer included and therefore only for in-plane deformations characteristic sizes are obtained.

Außer zur reinen in-plane Dehnungsmessung kann diese Technik aber auch zur Messung der out-of-plane Dehnungsanteile ∂w/∂x und ∂w/∂y unter einem beliebigen Beleuchtungs­ winkel θ der Beleuchtungsquellen 1 und 19 durch digitales Addieren von Δ- θ und Δ+ r dienen.In addition to the pure in-plane strain measurement, this technique can also be used to measure the out-of-plane strain components ∂w / ∂x and ∂w / ∂y at any illumination angle θ of the illumination sources 1 and 19 by digitally adding Δ - θ and Δ + r serve.

Aus den oben angegebenen Gleichungen folgt:From the equations given above it follows:

Für die y-Shearrichtung ergibt sich:For the y-shear direction:

Aus den beiden zuletzt genannten Gleichungen können die Werte ∂w/∂x und ∂w/∂y erhalten werden.From the last two equations, the values ∂w / ∂x and ∂w / ∂y be preserved.

Rein rechnerisch erfolgt die Auswertung dabei jeweils so, daß zunächst die Ergebnisse im belasteten und unbelasteten Zustand bei den Winkeln +θxz und -θxz einschließlich der erforderlichen Phasenverschiebungen gespeichert werden. Hierdurch werden die Werte Δ+ θ und Δ- θ erhalten, die in den Fig. 5a und 6a (für Δ+ θ) und in Fig. 5b und 6b (für Δ- θ) als sogenannte Zwischenbilder dargestellt sind. Aus diesen Ergebnissen werden dann durch Bildung der Differenzen (oben z. B. ΔS1) die reinen in-plane Terme errechnet, die in Fig. 5c und 6c dargestellt sind, oder durch Bildung der Summen (z. B. oben ΔA1) die reinen out-of-plane Terme errechnet, die in Fig. 5d dargestellt sind. Unregelmäßigkeiten in den Interferenzmustern, die nach Fig. 5a, 5b, 6a und 6b durch kombinierte in-plane und out-of-plane Verformungen des Objekts 2 erhalten werden, müssen daher nicht mehr wie bisher in Kauf genommen werden. Derartige Interferenzmuster können vielmehr entsprechend Fig. 5c und 6c in reine in-plane Streifenmuster oder entsprechend Fig. 5d in reine out-of-plane Streifenmuster zerlegt werden.In purely arithmetical terms, the evaluation is carried out in such a way that the results in the loaded and unloaded state are stored at the angles + θ xz and -θ xz including the required phase shifts. In this way, the values Δ + θ and Δ - θ are obtained, which are shown in FIGS. 5a and 6a (for Δ + θ ) and in FIGS. 5b and 6b (for Δ - θ ) as so-called intermediate images. The pure in-plane terms shown in FIGS. 5c and 6c are then calculated from these results by forming the differences (above, for example, Δ S1 ), or by forming the sums (for example, above Δ A1 ) the pure out-of-plane terms are calculated, which are shown in Fig. 5d. Irregularities in the interference patterns, which are obtained according to FIGS. 5a, 5b, 6a and 6b by combined in-plane and out-of-plane deformations of the object 2 , therefore no longer have to be accepted as before. Such interference patterns can rather be broken down into pure in-plane strip patterns according to FIGS. 5c and 6c or into pure out-of-plane strip patterns according to FIG. 5d.

Beispiele für die aus den obigen Gleichungen ΔS1 bis ΔS4 errechenbaren Werten von ∂u/∂x, ∂u/∂y, ∂v/∂x und ∂v/∂y sind in Fig. 7a bis 7d und 8a bis 8d dargestellt, und zwar jeweils für einen Zugstab mit Außenkerben bzw. mit einem Mittelloch bei einer Belastung von 150 N. Die Streifenmuster sind über der Mittelachse symmetrisch, und der Kontrast der Streifen ist sehr gut.Examples of the values of ∂u / ∂x, ∂u / ∂y, ∂v / ∂x and ∂v / ∂y that can be calculated from the above equations Δ S1 to Δ S4 are shown in FIGS . 7a to 7d and 8a to 8d , each for a tension rod with outer notches or with a center hole with a load of 150 N. The stripe patterns are symmetrical about the center axis, and the contrast of the stripes is very good.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 4 können die beiden Beleuchtungsstrahlen 15 und 16 auch mit der Einrichtung nach Fig. 9 erzeugt werden. Hier ist vor einer einzigen Lichtquelle 1 ein Spiegel 22 derart angeordnet, daß das Licht entweder in einem direkten Strahl 15 oder nach Reflexion am Spiegel 22 in einem indirekten Strahl 16 auf das Objekt 2 auftreffen kann. Mittels eines unmittelbar vor der Lichtquelle 1 angeordneten Verschlusses 23 kann das Objekt 2 somit wahlweise direkt oder über den Spiegel 22 indirekt illuminiert werden.In the apparatus according to Fig. 4, the two illumination beams can be generated 15 and 16 also with the device according to Fig. 9. Here, a mirror 22 is arranged in front of a single light source 1 in such a way that the light can strike the object 2 either in a direct beam 15 or after reflection on the mirror 22 in an indirect beam 16 . By means of a shutter 23 arranged directly in front of the light source 1 , the object 2 can thus be illuminated either directly or indirectly via the mirror 22 .

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die sich auf vielfache Weise abwandeln lassen. Insbesondere können die beschriebenen Merkmale einzeln oder gesamt in anderen als den dargestellten und beschriebenen Kombinationen verwendet werden. Dabei ist vor allem auch zu beachten, daß die Shearing-Anordnungen in Fig. 1 und 4 nur beispielsweise als Zweistrahlinterferometer 3 dargestellt wurden, weil sich mit die Shearung und Phasenschiebung in besonders einfacher Weise durchführen lassen. Alternativ können bei entsprechender Ergänzung der übrigen Komponenten im Sinne der vorliegenden Erfindung aber auch andere Shearing-Anordnungen (z. B. DE 44 14 287 A1) verwendet werden.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described, which can be modified in many ways. In particular, the described features can be used individually or as a whole in combinations other than those shown and described. It should also be noted above all that the shearing arrangements in FIGS. 1 and 4 were only shown, for example, as two-beam interferometers 3 , because the shearing and phase shifting can be carried out in a particularly simple manner. Alternatively, other shearing arrangements (e.g. DE 44 14 287 A1) can also be used if the other components are supplemented accordingly.

Claims (14)

1. Verfahren zur shearografischen Ermittlung von Ableitungen der in-plane Verformun­ gen einer Oberfläche eines Objekts (2) in wenigstens eine ausgewählte Richtung, bei dem die Objektoberfläche mit kohärentem Licht einer Lichtquelle (1, 19) bestrahlt, das von dieser diffus reflektierte Licht mittels eines eine Shearing-Anordnung (3) und eine optische Achse (z) aufweisenden optischen Systems in einer Bildebene (6) abgebildet und von der Objektoberfläche wenigstens ein Null-Shearogramm und ein Belastungs-Shearogramm aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung reiner in-plane oder out- of-plane Dehnungen entweder die in-plane oder out-of-plane Anteile mit in den Strahlen­ gang zwischen der Lichtquelle (1, 19) und der Bildebene (6) eingebrachten optischen Elementen (11, 12) eliminiert werden oder die Objektoberfläche aus wenigstens zwei unterschiedlichen Richtungen (+θxz, -θxz bzw. +θyz, -θyz) nacheinander (sequentiell) bestrahlt wird und die reinen in-plane oder out-of-plane Anteile durch Kombination der dadurch erhaltenen Shearogramme erhalten werden.1. A method for shearographically determining derivatives of the in-plane deformations of a surface of an object ( 2 ) in at least one selected direction, in which the object surface is irradiated with coherent light from a light source ( 1, 19 ), by means of which the light diffusely reflected an optical system having a shearing arrangement ( 3 ) and an optical axis (z) is imaged in an image plane ( 6 ) and at least one zero shea program and one load shea program are recorded from the object surface, characterized in that for determining pure in -plane or out-of-plane expansions, either the in-plane or out-of-plane portions with optical elements ( 11 , 12 ) introduced into the beam path between the light source ( 1 , 19 ) and the image plane ( 6 ) are eliminated or the object surface is irradiated sequentially from at least two different directions (+ θ xz , -θ xz or + θ yz , -θ yz ) and di e pure in-plane or out-of-plane components can be obtained by combining the shea programs obtained in this way. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elimination der in-plane oder out-of-plane Anteile durch Polarisation des Lichts im Strahlengang zwischen Lichtquelle (1) und Bildebene (6) erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the elimination of the in-plane or out-of-plane components by polarization of the light in the beam path between the light source ( 1 ) and image plane ( 6 ). 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung vorzugs­ weise unter gleich großen Winkeln und spiegelsymmetrisch zu einer gemeinsamen, die optische Achse (z) einschließenden Ebene erfolgt.3. The method according to claim 1, characterized in that the radiation is preferred wise at equally large angles and mirror-symmetrical to a common one optical axis (z) including plane. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination der Shearogramme durch Addition oder Subtraktion relativer Phasenänderungen erfolgt.4. The method according to claim 1 or 3, characterized in that the combination of Shearograms are made by adding or subtracting relative phase changes. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Kombination der Shearogramme erhaltenen Ergebnisse als reine in-plane bzw. out-of-plane Streifenmuster auf dem Bildschirm eines Rechners (10) dargestellt werden. 5. The method according to any one of claims 1, 3 or 4, characterized in that the results obtained by the combination of the shearograms are displayed as pure in-plane or out-of-plane stripe patterns on the screen of a computer ( 10 ). 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung der Objektoberfläche aus zwei unterschiedlichen Richtungen und mit den erforderlichen Phasenschiebungen erfolgt, für jede Richtung die im unbelasteten und belasteten Zustand des Objekts (2) erhaltenen Abbildungen gespeichert werden und die daraus abgeleiteten relativen Phasenänderungen addiert oder subtrahiert werden.6. The method according to any one of claims 1, 3, 4 or 5, characterized in that the irradiation of the object surface takes place from two different directions and with the required phase shifts, for each direction the images obtained in the unloaded and loaded state of the object ( 2 ) are stored and the relative phase changes derived therefrom are added or subtracted. 7. Vorrichtung zur shearografischen Ermittlung von Ableitungen der Verformungen an einer Oberfläche eines Objekts (2) in ausgewählte Shearrichtungen, enthaltend eine kohärentes Licht erzeugende Lichtquelle (1, 19), eine Bildebene (6) und ein eine optische Achse (z) und wenigstens eine Shearing-Anordnung (3) aufweisendes optisches System zur Abbildung der Objektoberfläche in der Bildebene (6), dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Ermittlung reiner in-plane und/oder out-of-plane Dehnungen eingerichtet ist und dazu entweder mit optischen Elementen (11, 12) zur Absorption der in-plane oder out-of-plane Anteile versehen ist oder Mittel zur Bestrahlung der Objektoberfläche aus wenigstens zwei unterschiedlichen Richtungen (+θxz, -θxz bzw. +θyz, -θyz) aufweist.7. Device for shearographic determination of derivatives of the deformations on a surface of an object ( 2 ) in selected shear directions, containing a coherent light-generating light source ( 1 , 19 ), an image plane ( 6 ) and an optical axis (z) and at least one Optical system having a shearing arrangement ( 3 ) for imaging the object surface in the image plane ( 6 ), characterized in that it is set up for determining pure in-plane and / or out-of-plane expansions and for this purpose either with optical elements ( 11 , 12 ) is provided for absorption of the in-plane or out-of-plane portions or has means for irradiating the object surface from at least two different directions (+ θ xz , -θ xz or + θ yz , -θ yz ). 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (11, 12) Linearpolarisatoren enthalten oder sind.8. The device according to claim 7, characterized in that the optical elements ( 11 , 12 ) contain or are linear polarizers. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (11, 12) Zirkularpolarisatoren enthalten oder sind.9. The device according to claim 7, characterized in that the optical elements ( 11 , 12 ) contain or are circular polarizers. 10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (11, 12) Kombinationen aus Linearpolarisatoren (13) und Viertelwellenplatten (14) enthalten.10. The device according to claim 7, characterized in that the optical elements ( 11 , 12 ) contain combinations of linear polarizers ( 13 ) and quarter-wave plates ( 14 ). 11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestrah­ lung der Objektoberfläche Mittel zur Erzeugung von zwei Beleuchtungsstrahlen (15, 16) und in diesen angeordnete, steuerbare Verschlüsse (17, 18 bzw. 23) aufweisen.11. The device according to claim 7, characterized in that the means for irradiating the object surface means for generating two illumination beams ( 15 , 16 ) and arranged therein, controllable closures ( 17 , 18 and 23 ). 12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der Beleuchtungsstrahlen (15, 16) einen Spiegel (22) enthalten. 12. The apparatus according to claim 7, characterized in that the means for generating the illumination beams ( 15 , 16 ) contain a mirror ( 22 ). 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Shearing-Anordnung (3) eine Abbildungsoptik (20) derart vorgesehen ist, daß hinter ihr parallele Lichtstrahlen des Objekts (2) entstehen, und daß zwischen der Shea­ ring-Anordnung (3) und dem Sensor (6a) eine weitere Linse angeordnet ist.13. Device according to one of claims 7, 11 or 12, characterized in that an imaging optics ( 20 ) is provided in front of the shearing arrangement ( 3 ) such that parallel light beams of the object ( 2 ) arise behind it, and that between the Shea ring arrangement ( 3 ) and the sensor ( 6 a) a further lens is arranged. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestrahlung der Objektoberfläche Mittel zur Erzeugung von zwei Beleuchtungs­ strahlen (15, 16) und in diesen angeordnete Modulatoren zur Aufzeichnung von in-plane und out-of-plane Schwingungen des Objekts (2) aufweisen.14. Device according to one of claims 7, 12 and 13, characterized in that the means for irradiating the object surface means for generating two illuminating beams ( 15 , 16 ) and arranged in these modulators for recording in-plane and out-of have plane vibrations of the object ( 2 ).
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