Erweiterte laserspecklebasierte Oberflächenmesstechnik mittels adaptiver Optiken

Abstract

Die Oberflächenbeschaffenheit bestimmt maßgeblich die tribologischen Eigenschaften, die chemische Beständigkeit, den Energietransport in Form von Wärme oder elektrischer Ladung und das Aussehen eines Bauteils. Neben der Oberflächenbeschaffenheit ist die Oberflächenverformung eine weitere wichtige Messgröße, um Materialeigenschaften zu bestimmen oder um eine räumlich aufgelöste Lastmessung während der Fertigung oder im Betrieb zu realisieren. Specklebasierte Methoden für die schnelle, berührungslose und großflächige Messung von Oberflächenbeschaffenheit und -verformung werden bereits seit den 1970er Jahren erforscht. Die fortwährende Weiterentwicklung von Rechenleistung, Auswertealgorithmen, Bildsensoren und adaptiven Optiken eröffnet jedoch weiterhin eine Erweiterung der Messsystemfähigkeit in Bezug auf Zeit-, Orts- und Messauflösung. In der digitalen Specklephotographie werden Laserspeckle als Oberflächenmarker eingesetzt, um zweidimensionale Verformungsfelder mittels Bildkorrelation zu bestimmen. Diese Methode bietet im Gegensatz zu einem permanent aufgetragenen Farbmuster die Möglichkeit, die Speckle durch eine Modulation der Laserbeleuchtung zu variieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Mikrospiegelaktor eingesetzt, um eine Vielzahl unkorrelierter Specklemuster auf der Probenoberfläche mit einer Bildrate im Kilohertzbereich zu generieren und so eine schnelle Mehrfachmessung bei Variation des Specklemusters zu ermöglichen. Durch eine Ensemblemittelung konnte auf diese Weise bei gleichbleibender Ortsauflösung die Messunsicherheit um eine Größenordnung reduziert werden. Dies erlaubt beispielsweise die Messung von Verformungsfeldern auf Mikroproben, d.h. eine Ortsauflösung < 20 µm bei einer Messunsicherheit < 0,1 µm. In spanenden Fertigungsverfahren wirken beim Werkzeugeingriff hohe mechanische Lasten meist räumlich konzentriert um die Schneide. Dies bedeutet bei einer prozessbegleitenden Lastmessung, dass hohe Gradienten im Verformungsfeld auftreten. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht, welche zufälligen und systematischen Messabweichungen bei der digitalen Specklephotographie durch Verformungsgradienten auftreten. Mittels einer optischen Simulation konnte gezeigt werden, dass die zufälligen Messabweichungen vom Gradienten erster Ordnung abhängig sind und durch eine Dekorrelation der Specklemuster ausgelöst werden. Die systematischen Messabweichungen sind dagegen von dem Gradienten zweiter Ordnung abhängig und werden überwiegend durch den Bildkorrelationsalgorithmus verursacht. Um die Beschaffenheit von unidirektional gefertigten anisotropen Oberflächen zu charakterisieren, sind mehrere richtungsabhängige Parameter erforderlich. Integrierende Verfahren, wie die Auswertung des Speckle-Streulichtmusters, messen nicht die Oberflächentopographie einer Probe, sondern liefern statistische Parameter, welche den gesamten Auswertebereich charakterisieren. Dadurch lässt sich eine schnelle Single-Shot-Messung für die prozessbegleitende Qualitätssicherung realisieren. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich aus einem einzigen Specklemuster die Bearbeitungsrichtung, die laterale Korrelationslänge senkrecht dazu sowie die mittlere quadratische Höhe in und senkrecht zur Bearbeitungsrichtung bestimmen lassen. Zur Lösung des inversen Problems der multiparametrischen Oberflächencharakterisierung wurde ein räumlicher Phasenmodulator eingesetzt, welcher im Versuchsaufbau Oberflächentopographien in einem großen Parameterraum emuliert. Zudem wurde erstmals der Einfluss von Krümmung und Neigung auf die bidirektionale Rauheitsmessung anisotroper Oberflächen untersucht. Dadurch wird eine Korrektur der systematischen Messabweichungen in Abhängigkeit von Neigung und Krümmung möglich. Insgesamt wurde das Potenzial der laserspecklebasierten Oberflächenmesstechnik mittels adaptiver Optiken erweitert, um einerseits in der hochaufgelösten Verformungsmessung die zufälligen Messabweichungen zu reduzieren und um andererseits eine multiparametrische Single-Shot-Charakterisierung von unidirektional gefertigten anisotropen Oberflächen zu realisieren.