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Speckle-Interferometrie Markus Brache

Speckle-Interferometrie Markus Brache. Ferienakademie 2005. 1 Motivation.

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Speckle-Interferometrie Markus Brache

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Presentation Transcript

  1. Speckle-InterferometrieMarkus Brache Ferienakademie 2005

  2. 1 Motivation Was ist Speckle-Interferometrie?- Optisches Messverfahren- Vermessung von optisch rauhen Oberflächen- Verwendung von Laserlicht- Auflösungsvermögen von etwa einer Wellenlänge- Keine Beeinflussung des Messobjektes- Kurze Messzeiten Ferienakademie 2005

  3. Gliederung1 Andere Messverfahren2 Grundlagen3 Speckle-Interferometrie4 Phasenschieben Ferienakademie 2005

  4. 1 Andere Messverfahren1.1 Berührende Messverfahren 1.2 Berührungsloses Messverfahren Ferienakademie 2005

  5. 1 Andere Messverfahren 1.1 Berührende Messverfahren - Punktweise Abtastung relativ zu einem Bezugsniveau mit Diamantnadel - Berechnung der Form des Objektes aus den Koordinaten der Rasterpunkte und zugehörigen Abtastwerten Nachteile: - Mechanische Beanspruchung der Oberfläche - Bei weichen Oberflächen nur begrenzt einsetzbar - Messgerät muss nah am Objekt liegen Ferienakademie 2005

  6. Diode 1 → 0 Diode 2 → 0 d=f f2 Diode 1 → 1 Diode 2 → 0 d>f Diode 1 → 0 Diode 2 → 1 d<f 1 Andere Messverfahren 1.2 Berührungsloses MessverfahrenAutofokus-Mikroskop Ferienakademie 2005

  7. Einfallende Strahlen Reflektierte Strahlen 1 Andere Messverfahren Grenzen der optischen Abtastung: - Objekte mit sehr steilen Flanken - optisch transparente Materialien - große Oberflächenrauheiten (Speckle-Effekt) 1.2 Berührungslose Messverfahren Streuung im Medium Steile Kanten der Oberfläche Große Oberflächenrauheit Ferienakademie 2005

  8. 2 Grundlagen2.1 Licht als elektromagnetische Welle2.2 Intensität2.3 Interferenz2.4 Kohärenz2.5 Speckles Ferienakademie 2005

  9. 2 Grundlagen 2.1 Licht als Elektromagnetische WelleIn z-Richtung verlaufende ebene elektromagnetische Welle:E, H und die Ausbreitungsrichtung z stehen jeweils senkrecht zueinander. Kreisfrequenz: Phasenwinkel: Wellenzahl: Ferienakademie 2005

  10. 2 Grundlagen Komplexe Schreibweise: mit 2.1 Das Licht als elektromagnetische Welle Ferienakademie 2005

  11. 2 Grundlagen 2.2 Intensität - Eine elektromagnetische Welle überträgt elektrische und magnetische Feldenergie - In Ausbreitungsrichtung fließende Energiestromdichte: Poyntingvektor - Die Frequenzen des sichtbaren Lichtes liegen im Bereich von 1014 Hz - Messung der Feldstärkenverläufe schwer möglich Ferienakademie 2005

  12. 2 Grundlagen - Optische Detektoren registrieren die über viele Perioden gemittelte mittlere Intensität I: 2.2 Intensität Ferienakademie 2005

  13. 2 Grundlagen 2.3 InterferenzBei der Überlagerung von Wellen gilt das Superpositionsprinzip: - Die gesamte Auslenkung ist gleich der Summe der einzelnen AuslenkungenÜberlagerung zweier Wellen mit gleicher Frequenz:Betrag von Ê:Phasendifferenz der Teilwellen: Ferienakademie 2005

  14. 2 Grundlagen - Gesamtintensität mit : - Spezialfall gleicher Amplituden und gleicher Intensitäten (I2=I1): - Interferenz tritt allerdings nur bei kohärenten Wellen auf 2.3 Interferenz Ferienakademie 2005

  15. 2 Grundlagen 2.4 Kohärenz - „Kohärenz“ heißt übersetzt „Zusammenhang“ - In einem kohärentem Lichtfeld stehen die Schwingungen zu zwei beliebigen Raumzeitpunkten in einem definierten Zusammenhang (Idealfall: Ebene harmonische Welle)In einem realen Strahlungsfeld liegt zwischen zwei Punkten Kohärenz vor, wenn sie in einem Elementarbündel liegen: Elementarbündel Lichtquelle P1 Ferienakademie 2005 P2

  16. 2 Grundlagen a) Zeitliche Kohärenz - Der maximale Abstand für zeitliche Kohärenz ist die Länge des Elementarbündels LK - Kohärenzzeit: TK = LK/cb) Räumliche Kohärenz - P1 und P2 liegen innerhalb eines Elementarbündels in einer Fläche senkrecht zur z-Achse Punkte sind räumlich kohärent - Alle Punkte innerhalb eines Elementarbündels mit gleicher z- Koordinate definieren die Kohärenzfläche AK 2.4 Kohärenz Elementarbündel Ferienakademie 2005 Lichtquelle P1 P2

  17. Spiegel 1 Spiegel 2 L1 Lichtquelle L2 Detektor 2 Grundlagen c) Messung der zeitlichen Kohärenz 2.4 Kohärenz Michelson-Interferometer Ferienakademie 2005

  18. 2 Grundlagen - Experimentelle und theoretische Untersuchungen zeigen, dass TK indirekt proportional zur Bandbreite der Lichtquelle ist Monochromatisches Laserlicht ist für interferometrische Messtechniken günstig, weil es eine große Kohärenzlänge besitzt 2.4 Kohärenz Ferienakademie 2005

  19. 2 Grundlagen 2.5 Specklesa) Entstehung von SpecklesEin Speckle-Muster enthält Aussagen über die Oberfläche Kohärente Lichtquelle Aufpunkt Rauhe Oberfläche Specklebild Beobachtungsebene Ferienakademie 2005

  20. 2 Grundlagen b) Optisch rauhe Oberflächen - Die Rauheit der Oberfläche liegt in der Größenordnung der Wellenlänge - Nur an diesen Flächen kann durch und diffuse Reflexion der Speckle-Effekt entstehen 2.5 Speckles Glatte Oberfläche Rauhe Oberfläche Ferienakademie 2005

  21. 2 Grundlagen c) Einstellen der Specklegröße - Zur Aufnahme der Speckle-Bilder mit CCD-Kameras müssen die Speckle ausreichend groß sein 2.5 Entstehung von Speckles Laserstrahl b D Kamera Streuende Fläche Ferienakademie 2005 Blende Linse

  22. 3 Speckle-Interferometrie3.1 Empfindlichkeitsvektor3.2 Out-of-plane Deformationsmessung3.3 Formvermessung mit der Zweiwellenlängen-Technik3.4 In-plane Deformationsmessung Ferienakademie 2005

  23. Beleuchtungsvektor k1 Empfindlichkeitsvektor k Messfläche Verschiebungsvektor d 3 Speckle-Interferometrie 3.1 Empfindlichkeitsvektord zeigt eine Verschiebung der Messfläche an Phasenänderung im Interferenzbild Beobachtungsvektor k2 Ferienakademie 2005

  24. Referenzfläche Messfläche Strahlteiler Laser Linse CCD Michelson-Interferometer 3 Speckle-Interferometrie 3.2 Out-of-plane Deformationsmessungena) Interferometerarten Messfläche Strahlteiler Laser Linse Referenzfläche CCD Mach-Zehnder-Interferometer Ferienakademie 2005

  25. Referenzfläche Messfläche Strahlteiler Laser Linse CCD 3 Speckle-Interferometrie b) Empfindlichkeitsvektor bei Out-of-plane Messungen - k1, k2 und k stehen senkrecht zur Messfläche - für einen vollen Phasenübergang von muss die Messfläche um verschoben werden 3.2 Out-of-plane Deformationsmessungen Ferienakademie 2005

  26. 3 Speckle-Interferometrie c) Deformationsmessung - Zuerst wird ein Interferogramm des Messobjekt im unmanipuliertem Grundzustand aufgenommen - Nach der Deformation wird ein zweites Bild aufgenommen - Zur Verarbeitung wird die Differenz gebildet 3.2 Out-of-plane Deformationsmessungen Ferienakademie 2005

  27. 3 Speckle-Interferometrie - Eindeutige Aussagen nur für möglich - Abstand zwischen schwarzen Streifen entspricht - unklar, ob höhenmäßiger Anstieg oder Abstieg 3.2 Out-of-plane Deformationsmessungen Interferogramm einer Aluminiumplatte vor Deformation Interferogramm einer Aluminiumplatte nach Deformation Differenz der beiden Interferogramme Ferienakademie 2005

  28. 3 Speckle-Interferometrie 3.3 Formvermessung mit der Zweiwellenlängen- Technik - Aufnahme von zwei Interferogrammen mit unterschiedlichen Wellenlängen - Bildung der Differenz der beiden Intensitäten Ferienakademie 2005

  29. 3 Speckle-Interferometrie 3.3 Formvermessung mit der Zweiwellenlängen-Technik Interferogramm mit λ1 Interferogramm mit λ2 Differenz der beiden Interferogramme Ferienakademie 2005 Möglichkeiten für die Höhenänderung

  30. 3 Speckle-Interferometrie 3.4 In-plane Deformationsmessung Beleuchtung 1(k11) Messfläche k2 z x CCD y Linse dy Beleuchtung 2(k12) Ferienakademie 2005

  31. 4 Phasenschieben4.1 Algorithmen zum Phasenschieben4.2 Erstellung eines Höhenprofils4.3 Zeitliches Phasenschieben 4.4 Räumliches Phasenschieben 4.5 Deformationsmessung eines Bleches 4.6 Formvermessung einer Münze Ferienakademie 2005

  32. 4 Phasenschieben 4.1 Algorithmen zum PhasenschiebenMittels der Technik des Phasenschiebens ist es möglich die Höhe jedes Pixels eindeutig zu bestimmenDie allgemeine Intensität eines Interferogramms: Grundintensität Modulation gesuchte Phase bekannte Phase zwischen Mess- und Referenzfläche Ferienakademie 2005

  33. Referenzfläche Messfläche Strahlteiler Laser Linse CCD Michelson-Interferometer 4 Phasenschieben - Mindestens drei Messungen mit bekannten Phasenverschiebungen - Lösen des linear unabhängigen Gleichungssystems Algorithmen: 3-Schritt-Algorithmus Dima-Algorithmus 4-Schritt-Algorithmus Carré-Algorithmus Hariharan-Schwider-Algorithmus - Algorithmen liefern Phasenwerte modulo oder 4.1 Algorithmen zum Phasenschieben Ferienakademie 2005

  34. 4 Phasenschieben - Jeweils 3 Aufnahmen mit zwei verschiedenen Wellenlängen - Berechnung der beiden Phasen mit Hilfe der Algorithmen - Die beiden Phasen für jeden Punkt der Bilder subtrahieren Phasenbild mit Höhenlinien 4.1 Algorithmen zum Phasenschieben Ferienakademie 2005 Mit Phasenshifting Ohne Phasenshifting

  35. 4 Phasenschieben 4.2 Erstellen eines Höhenprofils - Wird ein stetiger Verlauf vorausgesetzt, treten zwischen zwei benachbarten Punkten keine Phasensprünge größer - Ein Phasendifferenz größer wird als Phasensprung interpretiert - Bei einem Phasensprung wird der Wert addiert oder subtrahiert Differenz benachbarter Punkte kleiner - Die Anzahl m der Phasensprünge wird gespeichert Ferienakademie 2005 Unwrapped Phasenbild Phasenbild

  36. 4 Phasenschieben Berechnung der Höhenwerte 4.2 Erstellen eines Höhenprofils Unwrapped Phasenbild Phasenbild Ferienakademie 2005

  37. 4 Phasenschieben 4.3 Zeitliches Phasenschieben - Die Aufnahmen werden hintereinander ausgeführt - Zwischen den Aufnahmen wird die Phase zwischen Mess- und Referenzstrahl verändert Verschiebung Phasenshift Piezogesteuerte Referenzoberfläche Gekippte Glasplatte Im Strahlenweg Ferienakademie 2005

  38. 4 Phasenschieben 4.3 Zeitliches Phasenschieben Gitter 45° Rotation 1. Ordnung Phasenshift Platte Bewegtes Gitter Ferienakademie 2005

  39. 4 Phasenschieben 4.4 Räumliches Phasenschieben - Beim räumlichen Phasenschieben werden nur zwei Aufnahmen benötigt - Die Referenzfläche wird dabei leicht leicht schräg gestellt - Die Phasenverschiebung liegt zwischen benachbarten Pixel vor Gekippte Referenzfläche Ebene der CCD-Kamera Pixel 1 Pixel 2 Pixel 3 Ferienakademie 2005

  40. Interfero- gramm 1 1 2 3 1 4 Differenz Phasenbild 1 2 4 3 Interferogramm 2 4 Phasenschieben - Aus benachbarten Pixels wird jeweils die Phase berechnet - Die Phasen der beiden Bilder werden subtrahiert 4.4 Räumliches Phasenschieben Ferienakademie 2005

  41. 4 Phasenschieben 4.5 Deformationsmessung eines Bleches Unwrapped Phasenbild Pasenbild Ferienakademie 2005 Höhenprofil

  42. 4 Phasenschieben 4.6 Formvermessung einer Münze Phasenshifting-Bild Phasenshifting-Bild Phasenbild Ferienakademie 2005 Bilder mit freundlicher Genehmigung des Lehrstuhls für Messsystem- und Sensortechnik

  43. 4 Phasenschieben 4.6 Formvermessung einer Münze Unwrapped Phasenbild Phasenbild Ferienakademie 2005 Ausgewertetes Bild Bilder mit freundlicher Genehmigung des Lehrstuhls für Messsystem- und Sensortechnik

  44. Literatur: - A. W. Koch, M. W. Ruprecht, O. Toedter und G. Häusler Optische Messtechnik an technischen Oberflächen - F. Pedrotti, L. Pedrotti, W. Bausch und H. Schmidt Optik für Ingenieure - A. Donges und R. Noll Lasermeßtechnik - P. Evanschitzky Simulationsgestützte Oberflächendiagnostik mittels Speckle-Interferometrie Ferienakademie 2005

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