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Gepulste digitale Holografie für Schwingungsmessungenan schwer zugänglichen Oberflächen

 

 

 

Logo:Gepulste digitale Holografie für Schwingungsmessungenan schwer zugänglichen Oberflächen

Einführung
Prinzip der digitalen Holografie
Kombination zwischen Pulsholografie und kommerziell erhältlichen Endoskopen
Ergebnisse
Miniaturisierung eines elektronischen holographischen Endoskop
Referenzen


Endoskopische Untersuchungen gewinnen sowohl im Maschinenbau, der Fein- und Mikrotechnik als auch in verschiedenen Bereichen der Medizin zunehmend an Bedeutung. Vielversprechende Anwendungen sind u. a. in der zerstörungsfreien Prüfung von Innenräumen technischer Komponenten zu finden, die sich einer konventionellen Beobachtung entziehen. Die Ermittlung geometrischer Eigenschaften an schwer zugänglichen Stellen ist insbesondere im Verkehrsmittelbau von grosser wirtschaftlicher Bedeutung. Durch die Kombination von Endoskopie und holografischer Interferometrie lassen sich zusätzlich festkörpermechanische Daten wie Dehnungsfelder und Materialparameter gewinnen, so dass sich das Anwendungsgebiet klassischer endoskopischer Prinzipien deutlich erweitert.

 


 

Prinzip der digitalen Holografie

 

Zur Aufzeichnung von digitalen Hologrammen wurden verschiedene Prinzipien und Anordnungen vorgeschlagen. In diesem Beitrag beziehen wir uns auf einen Aufbau gemäss Bild 1. Es handelt sich um eine Anordnung, die zur Aufnahme eines klassischen off-axis Hologramms verwendet wird. Die Besonderheit liegt darin, dass bei digitaler Holografie ein Aufzeichnungsmedium in Form eines CCD- oder CMOS-Chips Verwendung findet. Diese Sensoren verfügen über eine räumliche Auflösung, die wesentlich geringer ist als die photographischer Filme. Aus diesem Grund wird eine spezielle Geometrie für die Hologrammaufnahme verwendet, die den Sensor in die Lage versetz, die Interferenzen zwischen Objekt- und Referenzwelle zu registrieren. Bezeichnen wir mit r(x,y) die Referenwelle und mit u(x, y) die Objektwelle, dann gilt für die registrierte Intensität: I(x,y)=|r(x,y)|2 + |u(x,y)|2 + r(x,y)u*(x,y) + r*(x,y)u(x,y) wobei * die komplexe Konjugation bezeichnet. Die Intensität I(x,y) (Hologramm) wird im Rechner gespeichert und weiter verarbeitet. Für unsere Zwecke ist lediglich die Amplitude und Phase der Objektwellenfront u(x,y) von Interesse. Zusätzlich treten jedoch weitere unerwünschte Terme auf, die u(x,y) überlagert sind. Um den Term r*(x,y)u(x,y) zu isolieren, wird die 2D-Fouriertransformierte von I(x,y) berechnet. Damit ergibt sich die Möglichkeit, die 4 Terme in I(x,y) zu separieren. Bild 2 zeigt schematisch, wie Amplitude und Phase der Objektwellenfront berechnet werden. Wenn Amplitude und Phase der Objektwellenfront in einer Ebene bekannt sind, dann lässt sich unter Verwendung von Beugungsintegralen die Amplitude und Phase in anderen Ebene berechnen.

Bild 1. Aufbau für digitale Holografie mit einer Punktquelle als Referenz.

Bild 1. Aufbau für digitale Holografie mit einer Punktquelle als Referenz.

 
Bild 2: Auswertung eines digitalen Hologramms

Bild 2: Auswertung eines digitalen Hologramms

 

Kombination zwischen Pulsholografie und kommerziell erhältlichen Endoskopen

Das holographische System, wird an ein starres bzw. flexibles Endoskop angekoppelt. Entsprechende Aufbauten sind in Abbildungen 3a und 3b dargestellt. Der Strahl eines gepulsten Lasers wird in eine Objekt- und eine Referenzwelle aufgeteilt. Als Lichtquelle wurde ein Rubin Laser verwendet (Pulslänge 30 ns, Pulsabstand zwischen 1 µs und 600 µs). Sowohl die Objektbeleuchtung als auch die Zuführung der Referenzwelle erfolgen durch optische Fasern. Die Intensitätsverteilung (Hologramm) wird mit Hilfe einer CCD Kamera registriert.

Bild 3: Optischer Aufbau mit (a) starrem und (b) flexiblem faseroptischen Endoskop zur endoskopischen Untersuchung mit gepulster digitaler Holografie

Bild 3: Optischer Aufbau mit (a) starrem und (b) flexiblem faseroptischen Endoskop zur endoskopischen Untersuchung mit gepulster digitaler Holografie

 

Ergebnisse

Um die Fähigkeit des endoskopischen Systems zu prüfen, wurden Messungen an verschiedenen Teilen durchgeführt .In einem Experiment wurde ein Kompressor im Betriebszustand vermessen. Als starres Endoskop wurde ein Swing Prism Borescope (Karl Storz) mit einer Länge von 0.5 m und einem Durchmesser von 6 mm verwendet. An einer Seite des Geräts liegen schlitzförmige Eintrittsöffnungen vor, in die das Endoskop eingeführt werden konnte (s. Bild 4a). Ein Bild der untersuchten Fläche innerhalb der Pumpe ist in 4b gezeigt. Auf der rechten Seite von Bild 4b ist ein Teil des Kolbens zu sehen. Während des Pumpbetriebes bewegt sich der Kolben mit einer Frequenz von 50 Hz vorwärts und rückwärts. Bei Verwendung der gepulsten digitalen holographischen Interferometrie können die dynamischen Verformungen sichtbar gemacht werden. Zwei digitale Hologramme des Innenraums der Pumpe wurden registriert, wobei der Laserpulsabstand 50 µs war. Nach der Subtraktion der berechneten Teilphasen erhält man ein Streifenmuster (Bild 4c), das die Information über die Verformung der Objektoberfläche zwischen den zwei Laserpulsen enthält. An der rechten Seite (Teilansicht des Kolbens) beobachtet man eine höhere Streifendichte, woraus geschlossen werden kann, dass sich der Kolben mit einer höheren Geschwindigkeit als die Umgebung bewegt. Dieses Beispiel zeigt, dass die verwendete endoskopische Technik einen eleganten Zugang zur Vermessung des Beanspruchungsverhaltens bewegter und schwer zugänglicher Objektpartien liefert .

Bild 4: Messung innerhalb einer Pumpe (a). Bild des Objekts (b), Interferogramm (c).

Bild 4: Messung innerhalb einer Pumpe (a). Bild des Objekts (b), Interferogramm (c).

Weitere Untersuchungen wurden mit einem flexiblen Endoskop angestellt. Zu diesem Zweck erfolgte die Integration eines Gerätes der Fa. Schölly in eine Anordnung für gepulste digitale Holografie. Als Messobjekt diente eine einfache Getränkedose, die mit einer Frequenz von 622 Hz (Resonanzfrequenz einer Schwingungsmode) angeregt wurde. Die Resultate sind in Bild 5 dargestellt.

Bild 5: Messung innerhalb einer schwingenden Getränkedose mit einem flexiblen Endoskop. Schwingungsfrequenz 622 Hz. a) Phasenbild, b) Pseudo-3D‑Darstellung der Schwingung. Pulsabstand 200 µs.

Bild 5: Messung innerhalb einer schwingenden Getränkedose mit einem flexiblen Endoskop. Schwingungsfrequenz 622 Hz. a) Phasenbild, b) Pseudo-3D‑Darstellung der Schwingung. Pulsabstand 200 µs.

 

Miniaturisierung eines elektronischen holographischen Endoskop

Die oben behandelten Aufbauten verwenden konventionelle Endoskope, an die proximal ein holografisches Messsystem angekoppelt wurde. Eine weitere Möglichkeit ergibt sich, wenn der holografische Sensor distal angekoppelt wird und direkt in das Objekt eingeführt wird. Damit ergeben sich eine Reihe von praktischen Vorteilen für die 3D-Form- und Verformungsmessung mittels Endoskopie. Vorraussetzung ist jedoch eine drastische Miniaturisierung des holografischen Messkopfes, um es in entsprechende Kavitäten (z. B. Motoren-, Turbinen- oder Körperhohlräume) einführen zu können.


Der prinzipielle Aufbau ist in Bild 6 schematisch dargestellt und enthält eine Beleuchtungsquelle mit Faseranschluss für Objekt- und Referenzwelle. Ein Abbildungssystem bildet den Objektraum auf den Miniatursensor ab. Die Intensitätsverteilungen (Hologramme) werden wiederum mit Hilfe einer CCD- Kamera registriert. Ein erster Prototyp mit einem Durchmesser von 18 mm ist in Bild 7 dargestellt. Die Abmessungen sind durch die CCD Fassung gegeben.

Bild 6: Schematische Darstellung des miniaturisierten Messkopf.

Bild 6: Schematische Darstellung des miniaturisierten Messkopf.

 
Bild 7: Bild des gefertigten Prototyps.

Bild 7: Bild des gefertigten Prototyps.

Mit diesem Messkopf wurden bereits erste Messungen durchgeführt. Ein Beispiel ist im Bild 8 dargestellt, bei dem es sich um ein Objekt mit einem kleinen Defekt handelt. Der Defekt verursacht eine Diskontinuität in der Schwingung und kann durch das Streifenbild visualisiert werden. In der 3D Darstellung des Verschiebungsfeldes ist diese Diskontinuität noch besser zu erkennen.

Bild 8 : Schwingungsmessung eines Objekts mit Defekt. Schwingungsfrequenz 2350 Hz. Streifenbild (a). Pseudo- 3D Darstellung der Schwingungsvorgang (b).

Bild 8 : Schwingungsmessung eines Objekts mit Defekt. Schwingungsfrequenz 2350 Hz. Streifenbild (a). Pseudo- 3D Darstellung der Schwingungsvorgang (b).

Durch die fortschreitende Miniaturisierung der CCD-Chips ist eine deutliche Reduzierung der Sensorgrösse realistisch. Bild 9 zeigt einen Aufbau, bei dem eine wesentlich kleinere Kamera in einen miniaturisierten holografischen Messkopf eingesetzt wurde. Der Durchmesser beträgt in diesem Fall lediglich 6 mm. Erste Messungen wurden auch mit diesem Sensor durchgeführt. Die Resultate sind in Bild 10 dargestellt.

Bild 9 : Bild des Prototyps, Durchmesser 6 mm.

Bild 9 : Bild des Prototyps, Durchmesser 6 mm.

 
Bild 10: Erste Ergebnisse, die mit dem in Bild 9 gezeigten Prototyp gewonnen wurden, a) Aufbau, b) Interferogramm.

 

Bild 10: Erste Ergebnisse, die mit dem in Bild 9 gezeigten Prototyp gewonnen wurden, a) Aufbau, b) Interferogramm.

Bild 10: Erste Ergebnisse, die mit dem in Bild 9 gezeigten Prototyp
gewonnen wurden, a) Aufbau, b) Interferogramm.

 

Referenzen


[1]

S. Schedin, G. Pedrini, H.J. Tiziani, F.M. Santoyo, “All-fibre pulsed digital holography,” Opt. Comm. 165, 183-188, (1999).

 
[2]

S. Schedin, G. Pedrini, H. J. Tiziani, “A comparative study of various endoscopes for pulsed digital holographic interferometry”, Applied Optics-OT, Volume 40, Issue 16, 2692-2697, June 2001

 
[3]

G. Pedrini, M. Gusev, S. Schedin, H. J. Tiziani, “Pulsed digital holographic interferometry by using a flexible fiber endoscope”, Optics and Laser in Engineering 40, S. 487-499 2003

 
[4]

G. Pedrini, I. Alexeenko, H. J. Tiziani, "Pulsed endoscopic digital holographic interferometry for investigation of hidden surfaces", Proc. SPIE, Vol 4933, 123-128, 2003

 
[5]

G. Pedrini, I. Alexeenko, "Miniaturised optical system based on digital holography", Proc. SPIE, Vol 5503, 493-498, 2004.

 
[6]

G. Pedrini, I. Alexeenko, W. Osten, " Gepulste digitale Holografie für Schwingungsmessungen an schwer zugänglichen Oberflächen", Tech. Mess. (eingereicht 2004)